WO2008152144A1 - Method and probe/primer system for the 'real time' detection of a nucleic acid target - Google Patents

Method and probe/primer system for the 'real time' detection of a nucleic acid target Download PDF

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WO2008152144A1
WO2008152144A1 PCT/EP2008/057512 EP2008057512W WO2008152144A1 WO 2008152144 A1 WO2008152144 A1 WO 2008152144A1 EP 2008057512 W EP2008057512 W EP 2008057512W WO 2008152144 A1 WO2008152144 A1 WO 2008152144A1
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WO
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primer
probe
fluorophore
target
sequence
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PCT/EP2008/057512
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Werner Lehmann
Henning Hanschmann
Mandy Syring
Original Assignee
Attomol Gmbh Molekulare Diagnostika
Fachhochschule Lausitz
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/536Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with immune complex formed in liquid phase
    • G01N33/542Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with immune complex formed in liquid phase with steric inhibition or signal modification, e.g. fluorescent quenching
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813Hybridisation assays
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    • C12Q1/6818Hybridisation assays characterised by the detection means involving interaction of two or more labels, e.g. resonant energy transfer
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
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    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals

Definitions

  • the invention generally relates to the field of nucleic acid amplification. In particular, it relates to a method for "real time" detection of a nucleic acid target The invention also relates to a primer / probe system and a kit for detecting a nucleic acid target and its use in a PCR.
  • PCR can be used for both qualitative and quantitative statements. Quantification of PCR products can be done in different ways. Newer detection methods make it possible to measure the in-vitro synthesis of PCR products "real time", ie homogeneously directly in the PCR reaction vessel used in each case.This so-called "real time” PCR is a particularly sensitive method In each cycle of the PCR, the development of PCR products is monitored.
  • the measurement of the amplification is usually carried out in thermocyclers, which have additional means for measuring fluorescence signals during the amplification reaction.
  • the amplification products are detected, for example, by fluorescence-labeled hybridization probes which emit fluorescence signals only when bound to the target nucleic acid or, in certain cases, also by double-stranded DNA-binding fluorescent dyes.
  • a defined signal threshold is determined for all the reactions analyzed and the cycle number Cp necessary to reach the threshold is determined for both the target nucleic acid and the reference nucleic acids. Based on the Cp values obtained for the target nucleic acid as well as the reference nucleic acid, either absolute or relative copy numbers of the target molecule can be determined.
  • Molecular Beacons are dye-labeled oligonucleotides having a stem-loop structure At the two free ends of the stem segments (FIG.
  • the 3'- and the 5'-end is in each case coupled to a fluorophore, wherein the one as reporter dye and the other as a quencher dye which quenches the fluorescence of the reporter dye with sufficient spatial proximity by Foerster energy transfer Sequences of the stem portions at both ends of the molecular beacons are chosen so that, when the molecular beacon folds, the stem portions hybridize exclusively to each other but not to other portions of the oligonucleotide.
  • the distance between reporter and quencher dye is sufficiently small in the state of the hybridized stem portions, so that the fluorescent dye does not fluoresce even with appropriate excitation with light.
  • the loop portion has a sequence that is complementary to the sequence of a target sequence.
  • the loop portions and the target sequence portions may hybridize, thereby unfolding the molecular beacon resolving the hybridization of the two stem portions.
  • This unfolding leads to an increase in the spatial distance between the reporter dye and the quencher dye and the reporter dye is excited to fluoresce.
  • an increase in intensity can be detected as the molecular beacons detect and hybridize to the target sequences.
  • the nucleic acid molecules can be detected quantitatively.
  • These molecular beacons have the major drawback of a costly and expensive synthesis, since these probes must be labeled with both the fluorescence and the quencher dye.
  • Quencher fluorescent dye systems are used in comparable probe systems such as Amplifluor primers, Scorpions and TaqMan probes.
  • Another well-known system is the Light Cycler system.
  • the fluorescent dyes are distributed to two different oligonucleotides.
  • At the 3 'end of the first oligonucleotide is the one fluorescent dye, e.g. Fluorescein, and the downstream annealing oligonucleotide has at the 5 'end another fluorescent dye, e.g. LC Red 640.
  • Fluorescein is excited by an LED as a light source and emits light, which excites the second fluorescent molecule via fluorescence resonance energy transfer (FRET). The light emitted by the second dye is detected by a corresponding filter.
  • FRET fluorescence resonance energy transfer
  • An excitation of the second dye can only take place if the two dye molecules are in spatial proximity (distance 1 to 5 nucleotides) due to the attachment of the two oligonucleotides to their complementary strand.
  • the principle of this system is based on the secondary excitation of a second fluorescent dye, which is only made possible by the generation of the PCR product.
  • the systems mentioned can basically be used for multiplex applications, but have the disadvantage that - should different target sequences are detected side by side - the reaction approach is relatively expensive because of the increasing number of different detection probes and the increasing number of probes may affect the amplification reaction.
  • not enough FRET pairs are known to achieve a high degree of multiplexing.
  • the previously existing probe systems also make it possible not to analyze larger sequence sections of the target sequence, without having to synthesize several fluorescently labeled, and thus costly, probes.
  • the detection of multiple target sequences also involves the simultaneous detection of a target sequence and an internal standard or multiple internal standards in a PCR, wherein the multiple standards for the calibration of the quantification of the target sequence may also be present in different concentrations.
  • the object is achieved by a method for "real-time" detection of nucleic acid targets as products of a nucleic acid amplification reaction by means of a new primer / probe system.
  • This method comprises the following steps: a) Use of at least one primer which comprises at least one for the nucleic acid-specific sequence to be amplified (TSS) and which permit enzymatic extension complementary to the target at the 3 'end b) introduction of a fluorophore 1.
  • this fluorophore 1 may be present directly on a first or further primer Alternatively, it may also be present on a probe c) After enzymatic extension, at least one probe is used to detect the target, which carries a fluorophore 2 at least at the 3 'end at least one probe with the strand of the target sequence at the 3 ' End extended primer carrying the fluorophore 1 hybridize or directly to target non-specific portions of the probes.
  • fluorophores 1 and 2 reach a sufficient proximity for the FRET, so that upon excitation by light of corresponding wavelength, a detection of the fluorescence allow the acceptor. That is, one of the two fluorophores is excited by light of a suitable wavelength, so that a FRET takes place between fluorophore 1 and 2 which is detected by fluorescence optics.
  • a sufficient proximity between the two fluorophores is present, for example, when the two fluorophores 1 and 2 are not more than 10 nucleotides apart, preferably not more than 5 nucleotides, most preferably the distance between fluorophore 1 and 2 is one to five nucleotides.
  • fluorophore 1 and fluorophore 2 are positioned on opposite strands.
  • those skilled in the art techniques means and ways known primers and probes according to the invention to produce and optionally provided with Fluorophori or 2.
  • Labeling reactions for covalent coupling of primers or probes to corresponding fluorophores are well known to those skilled in the art, as are suitable conditions for hybridization of e.g. Fluorophore 1 labeled probes with primers according to the invention.
  • Inventive primers are characterized in that they allow an enzymatic extension at its 3'-end, optionally, the inventive
  • Primers carry one or more modifications at their 3 'end which allow enzymatic extension of the 3' end complementary to the target.
  • a Target Specific Sequence is a nucleotide sequence that is complementary to a particular portion of the target sequence and allows for specific hybridization between the target strand and TSS-bearing primer or probe strand.
  • a TSS has a length of 3 to 100 nucleotides, more preferably from 3 to 50, most preferably from 5 to 35 nucleotides.
  • At least one primer which comprises at least one sequence specific to the nucleic acid target to be amplified (TSS) and which at the 3'-end allows enzymatic extension complementary to the target.
  • a fluorophore 1 to the at least one primer from step a), preferably by means of covalent bonding to the at least one primer or by means of a probe labeled with fluorophore 1, which hybridizes specifically to the at least one primer.
  • the two different, each with a FRET donor or FRET acceptor labeled primer / probe oligonucleotides are constructed so that after hybridization by forming an intramolecular hairpin between a hairpin sequence (HBS) of the at least one primer and the HBS-complementary portion of the enzymatically extended at least one primer, the fluorophores 1 and 2 are in a proximity sufficient for the FRET to allow fluorescence of the acceptor during a PCR cycle. That is, one of the two fluorophores is excited by light of a suitable wavelength, so that a FRET takes place between fluorophore 1 and 2 which is detected by fluorescence optics.
  • HBS hairpin sequence
  • Such a sufficient proximity between the two fluorophores is present, for example, when the two fluorophores 1 and 2 are not more than 10 nucleotides apart, preferably not more than 5 nucleotides, very particularly preferably between 1 and 5 nucleotides.
  • the spatial proximity of the two fluorophores is independent of the actual nucleotide spacing on the linear sequence of the strand that hybridizes to probe 2. It does not matter whether fluorophore 2 comes to lie downstream or upstream of fluorophore 1 at the appropriate distance.
  • the FRET between fluorophore 1 and 2 is also not affected by the fact that according to the invention fluorophore 1 and fluorophore 2 are positioned on opposite strands.
  • a hairpin sequence is a nucleotide sequence that has a sequence that is complementary to a downstream or upstream additional nucleotide sequence of the same strand molecule and that permits intramolecular hybridization of the two complementary strand regions. Thus an intramolecular so-called hairpin structure is formed.
  • the HBS preferably has a sequence which is essentially identical to a sequence segment of the target, this target segment (also called complement to TBS 2) downstream of the target-specific binding site of the primer (the complement to TSS 1) in the direction of the enzymatic extension of the HBS molecule. carrying primer or probe is located.
  • a HBS has a length of 3 to 100 nucleotides, more preferably from 3 to 50, most preferably from 3 to 35 nucleotides, or from 3 to 20 nucleotides.
  • Method for the real-time detection of nucleic acid targets as products of a nucleic acid amplification reaction by means of a primer / probe system comprising the steps:
  • At least one primer which comprises at least one target-specific sequence (TSS) for the nucleic acid to be amplified, as well as a hairpin formation sequence (HBS), which at the 3'-end permit enzymatic extension complementary to the target and the introduction of a fluorophore 1 through covalent bond or by binding a probe 1 allowed.
  • TSS target-specific sequence
  • HBS hairpin formation sequence
  • step c) formation of at least one intramolecular or intermolecular hairpin by hybridization of the HBS of the at least one primer extended according to step c) with the section of the extended primer that is complementary to the HBS or with a section of the HBS - complementary section of
  • the loop of the hairpin structure formed has a sequence length of at least 3 nucleotides, preferably more than 5 nucleotides, more preferably more than 10 nucleotides, more preferably more than 20 nucleotides, most preferably 25 or more Nucleotides, or wherein the sequence length of the loop structure is selected from a range of 25 to 60 nucleotides.
  • one or more further probes may be used which may be labeled or unlabelled and which may specifically bind at least partially within the loop sequence of the hairpin structure formed to the strand of the extended at least one primer.
  • additional probes may be hybridized with the extended at least one primer before, during or after use of the fluorophor 2 labeled probe 2.
  • the sequence of the at least one further probe is selected so that when hybridization of this further probe to the extended primer, the hairpin structure is changed so that between FRF 1 and fluorophore 2 no more FRET can take place. This is e.g. then the case when the hairpin structure is destabilized by the binding of the at least one further probe or the Harrnadel devis is even dissolved.
  • the destabilization of the hairpin or the dissolution of the hairpin can be achieved by overlapping the specific binding sequence of the at least one further probe at least partially with the stem region of the hairpin.
  • the further probe may also overlap with the sequence of primer 1 extending into the hairpin.
  • this probe partial sequences of co-amplified target sequences, e.g. Hybridize pathogen sequences or internal standards in the hairpin.
  • differential hybridization e.g. during melting curve recording, it is possible to identify sequence polymorphisms using at least one additional probe, preferably at least one unlabeled blocking probe or co-amplified target sequences, over wide sequence regions of the hairpin.
  • the at least one primer additionally has a tail which is unspecific to the target at the 5 'end.
  • Fluorophore 1 can be used for Example at the specific or unspecific part of a first primer or on another primer.
  • the arrangement of the fluorophores is exchangeable, so that fluorophore 1 can be present on a primer and fluorophore 2 on the probe or vice versa.
  • fluorophore 1 and 2 can be incorporated into probes. In which direction FRET takes place or is detected has no influence on the method according to the invention, both directions are encompassed by the invention.
  • the fluorophores 1 and 2 are covalently bonded to primers and probes.
  • the invention is based on a novel primer / probe design, wherein in a very particularly preferred variant of the at least one primer, this has a partial sequence which is partially complementary to its 3 'region in the 5' region, so that it has an intramolecular Hairpin forms.
  • the at least one primer may have the fluorophore 1 at the 5 'end, wherein the primer consists either only of a target-specific sequence or additionally has a nonspecific tail.
  • the primer at the 5 'end partially or completely forms a hairpin with itself or to the primer sequence that is complementary to the target to detect the target, so that a FRET signal is produced.
  • the 5 'end of the primer target is nonspecific and complementary to the 3' end of a probe which in turn hybridizes with its 5 'region to the target.
  • This forms a hairpin-like loop structure between extended primer and probe.
  • the sequence-unspecific fluorophore-labeled 5 'end of the primer can also hybridize to the complementary, non-target specific end of the 5' end of the probe.
  • FRET occurs when the probe carries fluorophore 2 in the region of the 5 'end.
  • the primer is labeled in the region of the 5 'end with Fluophore 1 and the probe at the 5' end with Fluophore 2.
  • Fluophore 2 can also be bound to the primer if the probe carries Fluophore 2.
  • primer 1 is a probe primer consisting of a target sequence specific 3 'and a target sequence unspecific 5' portion and is specific for the PCR.
  • a primer 2 which carries one of the two fluophores and is in sequence with the target sequence-unspecific section of the probe primer determines the sensitivity of the amplification. That's it possible, in a multiplexed approach using different probe primers and a universal primer 2 which inexpensively inserts a fluorophore into all amplicons. In this way, all other variants for multiplex use can be extended.
  • the method is characterized in that it uses at least three primers.
  • it comprises the following steps: In a first reaction, the use of a primer pair 1 and 2.
  • the selected forward primer 1 comprises at least one target binding sequence 1 (TSS 1) and at least one hairpin sequence (HBS) and is designed so that TSS 1 can be attached to the can bind to target to be amplified. Subsequently, this primer 1 is extended complementary to the target, reverse primer 2 binds to the complementary target and is also extended.
  • Primer 1 preferably contains a TSS 1 and a HBS. In one variant, it contains several HBS, which differ slightly to completely.
  • a primer 3 is used which is identical or partially identical to the 5 'region of primer 1 but has no TSS.
  • Primer 3 optionally carries fluorophore 1 at the 5 'end. It is designed so that it can form a hairpin 1 completely or partially with itself or with complementary portions of the primer 1 sequence. The conditions are adjusted so that with primer 2 and 3 an enzymatic extension and optionally an amplification takes place in one or more cycles.
  • the at least one HBS of primer 1 binds to one or more further target binding portion (s), which now lies between extended primer 1 and the complementary sequence of primer 2, whereby a hairpin 2 is formed. If the amplificate is then brought into contact with the fluorophore 2 labeled probe, the FRET signal formed with the fluorophore 1 can be detected.
  • the primer 3 carries fluorophore 1 and the probe with fluorophore 2 at the 3 'end hybridizes completely to the target sequence. Alternatively, the probe can hybridize with fluorophore 2 at the 3 'end via hairpin 2 and primer 1 at the target sequence.
  • the loop sequence in hairpin 2 is preferably 10-100 nucleotides but can also be 50-1000 nucleotides depending on the analysis question.
  • Target binding sequence 1 TSS 1
  • HBS hairpin sequence
  • the HBS is identical to a portion of the target sequence, which is located between the TSS 1 and the binding site of the reverse primer 2
  • the TSS 1 of the forward primer 1 to be amplified Target binds, then forward primer 1 is complemented enzymatically to the target, and then reverse primer 2 binds to the product of extension of forward primer 1 and is also enzymatically extended.
  • primer 3 is constructed so that it can form a first intramolecular hairpin completely or partially with itself or with corresponding portions of the primer 1 sequence, and
  • step d) evisceration of a second intramolecular hairpin in the extended primer 3 from step b) by hybridization of the at least one HBS of the original primer 1 sequence with the HBS complementary portion of the extended primer 3.
  • the loop of the hairpin structure 2 formed has a sequence length of at least 3 nucleotides, preferably more than 5 nucleotides, more preferably more than 10 nucleotides, more preferably more than 20 nucleotides, most preferably 25 or more nucleotides, or wherein the sequence length of the loop structure is selected from a range of 25 to 60 nucleotides.
  • one or more further probes may be used which may be labeled or unlabeled and which may bind specifically to the strand of the extended primer 3 at least partially within the loop sequence of the hairpin structure 2 formed.
  • Such additional probes may be hybridized with the extended primer 3 before, during, or after use of the fluorophor 2 labeled probe 2.
  • the sequence of the at least one further probe is chosen so that when hybridization of this further probe to the extended primer 3, the Harrnadel Vietnamese is changed so that no more FRET can take place between fluorophore 1 and 2 fluorophore. This is e.g. then the case when the hairpin structure is destabilized by the binding of the at least one further probe or the Harrnadelmila is even dissolved.
  • the destabilization of the hairpin or the dissolution of the hairpin can be achieved by overlapping the specific binding sequence of the at least one further probe at least partially with the stem region of the hairpin.
  • a preferably at the 3'-end blocked or at the 3'-end non-complementary probe hybridize and to dissolve the hairpin and cancel the required for a FRET distance between fluorophore 1 and 2 contribute.
  • partial sequences of co-amplified target sequences such as pathogen sequences or internal standards can hybridize in hairpin 1 or 2.
  • differential hybridization for example during the recording of melting curves, it is possible to identify sequence polymorphisms using at least one further probe, preferably at least one unlabeled blocking probe or co-amplified target sequences over wide sequence ranges of the hairpin.
  • the three primers and two probes can be used, each carrying FRET donor and acceptor (fluorophore 1 and 2), wherein the inserted probe 1 is primer-1 specific and the probe used is 2 target specific.
  • the fluorophores 1 and 2 used according to the invention are selected from
  • Fluorescent dye molecules wherein the light which is absorbed and remitted by the first fluorophore is reabsorbed and remitted by the second second fluorophore spatially close to the first fluorophore after binding of the probe (s) to the first fluorophore.
  • various fluorophores serve as donor and acceptor, so that a FRET signal as
  • Occurrence of donor-stimulated fluorescence of the acceptor can be recorded.
  • Fluorophore 1 is preferably fluorescein and fluorophore 2 LC Red 640 or LC
  • Fluorophore 2 are present on the probe or vice versa.
  • the FRET pair also can
  • the FRET pairs used according to the invention achieve a high degree of multiplexing. Numerous fluorophores for the spectral range from 350 to 750 nm, that is from ultraviolet to infrared, are available for the process according to the invention.
  • the amplification reaction is preferably a homogeneous liquid-phase PCR, a multiplex PCR, an asymmetric PCR, a solid-phase PCR, an RT-PCR, an in situ PCR, an immuno-PCR or a nested PCR.
  • the method for real-time detection of nucleic acid targets as a product of a nucleic acid amplification reaction by means of the novel primer / probe systems for the detection of nucleic acids comprises (see Example 1): a) Use of at least one primer containing at least one target-specific sequence for the nucleic acid to be amplified (TSS) and a hairpin sequence (HBS) and which at the 3 'end allows an enzymatic extension complementary to the target and the
  • FRET pairs are used for the different amplicons or polymorphisms.
  • a preferred method by means of the primer / probe systems comprises: a) Use of at least one primer which comprises at least one target specific sequence (TSS) and a hairpin formation sequence (HBS) for the nucleic acid to be amplified, and at the 3 'end allows enzymatic extension complementary to the target and mediates the introduction of a fluorophore 1 by covalent bonding or by binding a probe 1, b) enzymatic extension of the primer at the 3 'end, c) use of at least one probe 2, which is at least 3' -The End
  • Target sequence is nonspecific and carries a fluorophore 2, wherein the at least one probe 2 hybridizes with the primer extended at the 3 'end, d) formation of at least one intramolecular hairpin by hybridization of the HBS to the 3' end of the hybridized to the extended primer Probe 2, whereby fluorophore 1 is brought in close proximity to the fluorophore 2 of probe 2, e) excitation of one of the two fluorophores by light of suitable wavelength so that a fluorescence resonance energy transfer takes place between the fluorophores 1 and 2. f) fluorescence optical detection of the fluorescence.
  • a further preferred method by means of the primer / probe systems comprises: a) use of at least one primer which comprises at least one target specific sequence (TSS) and a hairpin formation sequence (HBS) for the nucleic acid to be amplified, and an enzymatic at the 3 'end Extension allowed complementary to the target and mediates the introduction of a fluorophore 1 by covalent bonding or by binding a probe 1, b) enzymatic extension of the primer at the 3 'end, c) formation of at least one intramolecular hairpin by hybridization of the HBS with the extended primer d) binding of a blocking probe depending on the sequence of the hairpin e) use of at least one probe 2, which carries a fluorophore 2 at least at the 3 'end, wherein the at least a probe hybridizes to the primer extended at the 3'-end, f) prim One of the two fluorophores by light of appropriate wavelength, so that between the fluorophores 1 and 2 a
  • TSS target specific sequence
  • Fluorescence resonance energy transfer takes place g) Fluorescence optical detection of the fluorescence. If the melting temperature of the blocking probe of the hairpin sequence is lower than the melting temperature of the hairpin itself, the binding of the blocking probe leads to the opening of the hairpin already below the melting point of the hairpin.
  • Hairpin can be detected by recording a melting curve.
  • a preferred primer / probe system comprises: a) three primers, wherein - a primer pair 1 and 2 function as forward and reverse primers and primer 1 comprises at least two sequences specific to the nucleic acid target to be detected (TSS 1 and HBS) and both allow enzymatic extension , and a primer 3 which is partially or completely identical to the 5 'region of primer 1, is also enzymatically extendible, and
  • Fluorophore 1 designed to be able to form a hairpin 1 wholly or partially with itself or with complementary portions of the primer 1 sequence, b) a probe bearing fluorophore 2 at the 3 'end and complete is specific for the target sequence, or specific for the target sequence and primer 1.
  • the invention may also be a primer / probe system comprising: a) three primers, wherein - a pair of primers 1 and 2 act as forward and reverse primers and wherein primer 1 comprises at least two sequences specific to the nucleic acid target to be detected (TSS) and both allow enzymatic extension, and
  • Primer 3 which is partially or completely identical to the 5 'region of primer 1 and is also enzymatically extendable, b) two probes each carrying fluorophore 1 and 2 and which are completely specific for the target sequence, or for the Target sequence and primer 1 are specific.
  • the invention may also be a primer / probe system comprising: a) three primers, wherein
  • a primer pair 1 and 2 function as forward and reverse primers and primer 1 at least two for the Nucleic acid target specific sequences (TSS) to be detected and both allow enzymatic extension
  • - primer 3 which is partially or completely identical to the 5 'region of primer 1 and which is also enzymatically extendable
  • two probes each containing fluorophore 1 and 2 which are completely specific for the target sequence or specific for the target sequence and primer 1.
  • the invention also provides a reagent kit for detecting nucleic acids comprising - at least one novel primer / probe system, suitable buffers and, if appropriate, further auxiliaries.
  • Buffers and auxiliaries are known to the person skilled in the art. They preferably comprise thermostable polymerase, dNTP mix, PCR buffer and optionally MgCl 2 .
  • a multiplex PCR according to the invention with the primer / probe system or the kit, a plurality of primer sets can be combined with the method described above, which allow the detection of several target sequences in one reaction batch on the basis of different target binding sequences (TSS) or HBS.
  • TSS target binding sequences
  • Qualitative measurements are carried out by checking after a predefined number of amplification cycles whether the concentration of the nucleic acid molecules formed exceeds a certain threshold value. For quantification, this concentration is detected after each cycle and the number of cycles is determined until a certain threshold is reached. This number is a measure of the concentration of the desired nucleic acid in a sample.
  • the target sequences in the probe binding region, in the primer binding region or in the stem of the hairpin (s) can preferably be distinguished by melting curve analysis for the simultaneous differentiation of a plurality of target sequences.
  • multiple primer / probe systems can be employed which differ at least partially or completely in the target sequence specific sections and emission wavelengths of the emitting fluorophores so that they can be differentially detected by multicolor fluorescence detection.
  • the target-specific primers can differ in the 3 'region and thereby be completely or incompletely complementary to the target sequence in the respective sample, as a result of which they are detected or not detected.
  • different detection systems can be used for the simultaneous detection of multiple target sequences, wherein the target-specific primers to be used can contain length polymorphisms and fluorescent labels.
  • the target sequences can be detected by real-time fluorescence analysis, by electrophoresis or by hybridization without amplification of the target sequence, by hybridization after amplification of the target sequence or by hybridization during amplification of the target sequence in solution or on a solid phase.
  • Fluorescence-encoded bead arrays and spatially encoded biochips are used as preferred solid phases.
  • Real-time PCR owes its wide distribution to two properties that rarely fit together well in the lab routine: it is fast and at the same time precise. It takes less than two hours for a real-time cycler to duplicate and quantify the tiniest amounts of DNA. The whole thing works in high throughput. Up to 384 PCR reactions can simultaneously be performed by devices whose cycler blocks can be equipped with appropriate microtiter plates.
  • Real-time cycler are well known. They allow for detection of up to preferably five fluorescent dyes simultaneously for multiplexing applications, have heating blocks preferably in a four-pack for 96 or 384 well microtiter plates, show fast heating / cooling rates which allow eg 30 PCR cycles in 30 minutes, quantification software, melting point analysis and much more.
  • the system and method of the present invention is also suitable for high throughput laboratories that have to process entire piles of samples, yielding up to 5,000 analyzes per day with corresponding state-of-the-art automated real-time PCR robots possible are. If no value is placed on real-time quantification and there is only interest in the end-point PCR, up to 30,000 samples can be processed in just under 3 hours using appropriate PCR robots.
  • a prefabricated real-time PCR kit can be provided which contains all the necessary ingredients.
  • the individual pipetting of buffer, nucleotide mix, reporter molecules, polymerases and primers is not necessary.
  • the melting point determination of the amplified DNA and the analysis of the threshold value of the fluorescence intensity (CT) are used.
  • the use of a primer / probe system according to the invention can be carried out in a device which comprises the probes immobilized as capture probes, for the simultaneous detection of target sequences during the amplification of the target sequences, wherein the randomly or systematically distributed in the reaction environment measuring points to which the target sequences the immobilized capture probes hybridize, imaging fluorescence optically detected, decoded and measured and the reaction environment is thermocyclically controlled, possibly by Peltier elements, air flow, water bath, heat radiation, induction or microwaves.
  • the performance of real-time detection can be accomplished using the probe systems of the invention but also using other probe systems, e.g. Molecular Beacon, FRET probes, TaqMan, Scorpions, GenePins or Amplifluor primers.
  • probe systems e.g. Molecular Beacon, FRET probes, TaqMan, Scorpions, GenePins or Amplifluor primers.
  • a primer that can be used universally for different amplificates already carries a fluorophore.
  • the fluorophores of the probes of different amplicons can be detected at low cost
  • the dye-labeled probes and primers need not be polymorphic, since the polymorphisms can be detected by varying target binding sequences of unlabelled primer 1. This makes it possible to optimize the dye-labeled probes and primers for maximum detection sensitivity and to determine the specificity for the identification of sequence differences on the optimization of unlabeled primer limit (eg primer 1, Example 3), which is the cost of the
  • polymorphic DNA cleavage can also be detected via inexpensive unlabelled probes which bind in hairpin 2 and cause a very efficient opening of hairpin 2, so that
  • Polymorphisms can be detected very specifically and thus reliably via melting curve courses.
  • Probes are detected, which bind in hairpin 1 and cause a very efficient opening of hairpin 1, so that different
  • Amplikons very specific and thus can be detected safely.
  • the method is very variable because the probe binding sites can be placed on the target in optimal binding areas.
  • the method is very variable, since the use of multiple blocking probes large sequence areas can be examined for sequence changes, without the need for additional, labeled probes.
  • FIGS. 1 to 5 The invention is shown schematically in FIGS. 1 to 5.
  • Fig. 1 schematic representation of the use of the primer / probe system using a primer and a probe for the detection of a target polymorphism
  • Primer 1 carries a covalently attached 5'-end fluorophore 1 and a target binding sequence 1 and a hairpin sequence, wherein the Hairpin sequence for polymorphism detection.
  • Primer 1 binds with the target binding sequence 1 of its 3 'end to the target sequence in a 1st position and is complementarily extended by a DNA polymerase under suitable conditions. After denaturation of the double strand, the 5 'end of primer 1 via the hairpin sequence (HBS) forms a hairpin with the target sequence 2 of the gene comprising the polymorphism.
  • the probe which carries fluorophore 2 at the 3 'end, binds to the complementary to the target-extended primer immediately following the hairpin formed.
  • a fluorescence-mediated FRET is triggered with light of defined wavelength and an emission of fluorophore 2 is measured. This emission correlates with the amount of template in the reaction mixture which comprises the polymorphism.
  • a melting curve is created. If both target sequences are contained in the reaction mixture, two peaks result in the representation of the melting curve.
  • Fig. 2 Detection of a factor 2 polymorphism
  • a fragment of the factor 2 gene is amplified between primer 1 and primer 2, where primer 1 carries at its 5 'target sequence unspecific end a fluorophore 2 which is complementary to the 3' target sequence unspecific end of the probe.
  • the 3 'end of the probe carries fluorophore 1.
  • the probe binds to primer 1, which is complementary to the target, the target sequence unspecific ends of the primer and probe hybridize, with fluorophore 1 and 2 coming into close proximity to form FRET.
  • a melting curve is generated to identify polymorphisms in the probe binding region. But it is equally possible to additionally use a probe 2, which hybridizes in the loop area and thereby prevents the formation of the loop and thus FRET (not shown). Polymorphisms in the binding region of probe 2 can be identified by recording the melting curve of probe 2.
  • Fig. 3 Schematic representation of a detection of a target sequence polymorphism
  • Primer 2 is target sequence-unspecific at the 5 'end, ie, a portion of the oligonucleotide does not bind to the target.
  • This part contains a sequence section which is complementary to a sequence section farther in the 3 'direction on the target and can hybridize with it after amplification to form a hairpin.
  • a sequence section which provides a possibility of hybridization for a probe 2 into the Introduces amplificate.
  • Probe 1 is complementary to the primer 2 which is complementary to the target. After hybridization to the hairpin, the fluorophores of probes 1 and 2 come into close proximity so that FRET can take place.
  • Hybridization to the hairpin is prevented in low temperature ranges because then probe 3 can bind to the hairpin structure and the hairpin is not closed.
  • the Dehybridleiterstemperatur of probe 3 is dependent on the occurrence of polymorphism in the hairpin. By recording a melting curve, the polymorphism in the hairpin can be determined more closely. It is of course also possible for one of the two fluorophores to be bound to primer 1, in which case the primer-specific probe 2 and its binding region in primer 2 can be dispensed with (see FIG. 3b).
  • FIG. 4 Schematic representation of the characterization of nucleotide sequences by melting curve analysis with several blocking sense probes.
  • Part of a nucleotide sequence is amplified between primer 1 and primer probe 2.
  • the primer probe 2 is target-specific at the 5 'end, i.e., a portion of the oligonucleotide does not bind to the target.
  • This part contains a sequence section which is complementary to a sequence section farther in the 3 'direction on the target and can hybridize with it after amplification to form a hairpin.
  • Probe 1 is complementary to a portion of the target.
  • probes 1 and 2 After hybridization to the hairpin, the fluorophores of probes 1 and 2 come so close to each other that FRET can take place.
  • probes 3 through 6 may hybridize in the hairpin structure, preventing the hairpin from closing.
  • the probes dehybridize 3 to 6 according to their specific (different) melting temperatures and there is the formation of a characteristic melting curve. If there is a polymorphism under a probe, the melting curve typically changes in this case.
  • Primer 1 comprises two target binding sequences 1 and 2 and a 5 'end, which corresponds to the sequence of primer 3.
  • Primer 1 binds with the target binding sequence 1 of its 3 'end to the target sequence of the gene to be detected and is extended by a DNA polymerase under suitable conditions complementary to the target. After denaturation of the double strand primer 2 binds to the extended primer 1 and is complementarily extended.
  • primer 1 differs in the target binding sequence 1 and by a length marker between primer binding sequence 1 at the 3 'end and primer sequence 3 at its 5' end of other primers 1 for other target sequences in the multiplex approach.
  • a fluorophore-mediated FRET is triggered and an emission of fluorophore 2 is measured at a defined wavelength. This emission correlates with the amount of template in the reaction mixture which comprises the polymorphism.
  • a melting curve is created.
  • both target sequences are contained in the reaction mixture, two peaks result in the representation of the first derivative of the melting curve. Due to different length markers in different primers 1 (see D1?), The amplificates can additionally be detected or distinguished by gel electrophoresis or mass spectroscopy.
  • the reaction batch is pipetted into a LightCycler capillary and then transferred to the LightCycler and thermocyclically amplified.
  • the method is shown schematically in FIG.
  • Primer 1 carries a covalently bound fluorescein at the 4 th nucleotide counted from the 3 'end, binds with its target binding sequence 1 at the 3' end to the target sequence of the herpes s / mp / ex-virus genome and is by a DNA polymerase extended under suitable conditions complementary to the target.
  • the probe bearing a rhodamine label at the 3 'end can hybridize to the primer extended to complement the target.
  • a fluorescein-mediated FRET is triggered and the emission at 560 nm correlates with the amount of template present in the reaction mixture.
  • Primer 1 5'-TOAAGGG CCA GGC GCT TGT TGG TGT A-3 '(SEQ ID NO: 1) G at position 2 (highlighted in gray) covalently carries a FITC molecule.
  • Primer 2 5'-CAT CAC CGA CCC GGA GAG GGA C-3 '(SEQ ID No: 2)
  • a volume of 5 ⁇ l of sample blood purified from patient's blood or reamplifcation-prediluted amplicon is added to 15 ⁇ l of master mix of the following composition: Primer 1 (FITC-modified) 300 nM Primer 2 30O nM
  • Primer 1 carries a Cy5 covalently attached at the 5 'end and a target binding sequence in the 3' region and a probe binding sequence in the 5 'region. With the target binding sequence, primer 1 binds to the target and is extended by a DNA polymerase under appropriate conditions complementary to the target, the factor 2 gene.
  • the 5 'end of primer 1 forms a hairpin-like loop with the target unspecific 3' region of the probe, the 3 'end of which was blocked by fluorescein labeling against polymerase extension.
  • a fluorescein-mediated FRET is triggered and an emission of Cy5 at 640 nm is measured. This emission correlates with the amount of template in the reaction mixture which comprises the polymorphism.
  • a melting curve is created. If both target sequences are contained in the reaction mixture, two peaks result in the representation of the melting curve.
  • the sequence polymorphism is preferably detected in the target-specific region of the probe. If there is a mutation of the target sequence in the probe binding region, there is a mismatch in the probe binding, so that the melting temperature of the probe changes. After completion of the amplification, a melting curve is recorded for all samples which have a sufficiently high measurement signal in order to find changes in the melting behavior of the probe and thus of any mutations.
  • Primer 1 Cy5-5'-GTCGTCGGCCTGGAACCAATCCCGTGAAAG-3 '
  • Primer 2 5'-CCA GGT GGT GGA TTC TTA AGT C-3 '(SEQ ID No: 5)
  • composition given:
  • Probe 1 (FITC modified) 400 nM
  • Probe 2 (LC Red 640 modified) 400 nM
  • Probe 3 500 nM dissolved in Taq DNA polymerase, nucleotides, magnesium chloride, Tris / HCl buffer and Tween 20.
  • the reaction batch is pipetted into a LightCycler capillary and then transferred to the LightCycler and thermocyclically amplified. The method is shown schematically in FIG. Both primers are not labeled with fluorescent dyes.
  • Primer 2 serves on the one hand as a primer (sequence region at the 3'-end) and on the other hand to introduce the complementary sequence for hairpin stem formation and for binding the probe 2 (FRET acceptor) in the amplicon.
  • the amplicon produced by PCR forms a 20-base hairpin structure on which probe 3 can hybridize.
  • probe 3 covers a mutation (x) to be detected.
  • a labeled with a fluorescent dye probe 1 FRET donor, eg fluorescein
  • probe 2 FRET acceptor, eg LC Red -640
  • FRET acceptor eg LC Red -640
  • probe 3 By also present in the reaction mixture probe 3, an opening of the hairpin is forced at low temperatures, since probe 3 can hybridize in the hairpin structure, that the closing of the hairpin is prevented. Only after increasing the temperature (e.g., when taking a melting curve) does probe 3 hybridize and the hairpin closes (increase in fluorescence signal). In the presence of a base exchange in the hairpin area (mutation to be detected), the probe dehybridizes correspondingly earlier and leads to a changed signal course. The changes can easily be detected with a melting curve analysis (double peak in the presence of wild type and mutation template, heterozygous constellation).
  • Primer 1 B'-CTGAATTCTTAGGTGGTGGACC-S 1 (SEQ ID NO: 7) primer 2 5 '-GATCCAAGTCCAAACGTCAACCCATCTGACTACGCTGAGTGTTCCCAATAAAAGTGACTC-B'
  • Probe 1 (fluorescein-modified): Fiuorescem-5 ⁇ -TAGTCAGATGGGTTGACGTTTGGACTTGGATC-3 ⁇
  • Probe 2 (LC-Red-640-modified): 5 ⁇ -CCATGAATAGCACTGGGAGCATTGAGGCT-B ⁇ -Lc-Red640 (SEQ ID No: 10)
  • a volume of 5 ⁇ l of purified sample DNA for amplification intended for reamplification is added to 15 ⁇ l of master mix of the following composition: Primer 1 300 nM
  • Probe 1 fluorescein-modified
  • probe 2 LC-Red-640-modified
  • the reaction batch is pipetted into a LightCycler capillary and then transferred to the LightCycler and thermocyclically amplified.
  • the method is shown schematically in FIG. Both primers are not labeled with fluorescent dyes.
  • Primer probe 2 serves on the one hand as a primer (sequence region at the 3 'end) and on the other hand to introduce the complementary sequence for hairpin stem formation and for binding the probe 2 (FRET acceptor) into the amplificate.
  • the amplicon produced by PCR forms a hairpin structure of 66 bases length at which probes 3 to 6 can hybridize. Upon complete hybridization of probes 3 to 6, hybridization of the hairpin stem is prevented, and thus FRET can not occur upon excitation with 480 nm wavelength light.
  • the probes Upon a temperature increase in the course of recording a melting curve, the probes dehybridize in a defined order and depending on the sequence of the amplicon formed. If sequence changes in the probe binding region compared to the wild-type sequence are present, a modified melting curve is obtained, which allows conclusions to be drawn about the sequence region which has changed.
  • Primer 1 S'-CTGAATTCTTAGGTGGTGGACC-S 1 (SEQ ID NO: 12)
  • Primer Add 2 5'-GATCCAAGTCCAAACGTCAACCCATCTGACTACTGGCGCTGAGTTTGTCGTTGTTCCGTC-B '(SEQ ID No: 13)
  • Probe 1 fluorescein-modified: 5 ⁇ -fluorescence- ⁇ AG ⁇ cAGATGGG ⁇ GACG ⁇ GGAc ⁇ GGA ⁇ c-3 ⁇
  • Probe 2 (LC-Red-640 modified): s ⁇ -ccATGAATAGCAc ⁇ GGGAGCA ⁇ GAGGc ⁇ -Lc-Red640-3 ⁇ (SEQ ID No: 15)
  • Probe 3 5'-GACGGAACAACGACAA-3 '(SEQ ID NO: i6)
  • Probe 4 5'-GGTCACTTGGATTGG-3 '(SEQ ID NO: 17)
  • Probe 5 5'-CAGCGGCAGCGACAA-3 '(SEQ ID NO: 18)
  • Probe 6 S '-GTCACTTTTATTGGGAAC-B' (SEQ ID NO: 19)
  • Primer 2 30O nM
  • Primer 3 (FITC-modified) 30O nM
  • reaction mixture is pipetted into a LightCycler capillary and then into the
  • Fig. 3 shown. Upon completion of the amplification, a melting curve is recorded for all samples having a sufficiently high measurement signal to detect amplicon of the internal standard and, for HSV positive samples, HSV amplicon.
  • Primer 1a 5'-actgcacgctcacacggacg gtgcagtaagtcct CAT CAC CGA CCC GGA GAG GGA C-3 '(SEQ ID No: 20)
  • Primer 1 b 5'-actgcacgctcacacggacgttgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgcgcggtccac CATCACCGAC CCGGACAGCC CA-3 '(SEQ ID No: 21) primer 2: ⁇ '-GGG CCA GGC GCT TGT TGG TGT A-S' (SEQ ID No: 22)
  • Primer 3 FITC-5'-actgcacgctcacacggacg-3 '(SEQ ID No: 23)
  • Probe 1 5'-tcagttcggcggtgaggaca-3'-rhodamine (SEQ ID No: 24)

Abstract

The invention relates to a method for the 'real time' detection of a nucleic acid target. The invention also relates to a primer/probe system and to a kit for detecting a nucleic acid target and the use of said system and kit in a solution or array, preferably for liquid phase PCR and multiplex PCR. The method comprises the steps: use of at least one primer, which comprises at least one sequence (target bonding sequence) that is specific to the nucleic acid to be amplified and that has modifications at the 3' end, allowing an enzymatic extension that complements the target; introduction of a fluorophore 1; use of at least one probe having a fluorophore 2 at the 3' end, the probe or probes being able to hybridise with the strand of the primer that has been extended to form the target sequence at the 3' end. One of the two fluorophores is excited by light of a suitable wavelength, causing a FRET to take place between fluorophores 1 and 2, said transfer being detected by optical fluorescence imaging.

Description

Verfahren und Sonden/Primersystem zum „real time" Nachweis eines Nukleinsäuretargets Method and probe / primer system for "real time" detection of a nucleic acid target
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Nukleinsäureamplifikation. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum „real time"-Nachweis eines Nukleinsäuretargets. Gegenstand der Erfindung sind auch ein Primer-/Sondensystem und ein Kit zum Nachweis eines Nukleinsäuretargets und seine Verwendung in einer PCR.The invention generally relates to the field of nucleic acid amplification. In particular, it relates to a method for "real time" detection of a nucleic acid target The invention also relates to a primer / probe system and a kit for detecting a nucleic acid target and its use in a PCR.
Verfahren zur Erkennung und Mengenbestimmung von Nukleinsäuren sind bekannt. Ausgehend von einer zu analysierenden mRNA wird zunächst eine einzelsträngige cDNA mit Hilfe einer Reversen Transkriptase hergestellt, mit Hilfe einer PCR wird dann ein doppelsträngiges DNA-Amplifikationsprodukt erzeugt. Die PCR ist sowohl für qualitative als auch für quantitative Aussagen einsetzbar. Eine Mengenbestimmung von PCR- Produkten kann auf unterschiedliche Art erfolgen. Neuere Detektionsmethoden erlauben es, die in-vitro-Synthese von PCR-Produkten „real time", d.h. homogen direkt im jeweils verwendeten PCR-Reaktionsgefäß zu messen. Diese so genannte „real time"-PCR stellt eine besonders sensitive Methode dar. Hierbei wird in jedem Zyklus der PCR die Entstehung von PCR-Produkten verfolgt. Die Messung der Amplifikation erfolgt dabei in der Regel in Thermozyklern, welche zusätzliche Mittel zur Messung von Fluoreszenzsignalen während der Amplifikationsreaktion aufweisen. Die Amplifikationsprodukte werden beispielsweise durch Fluoreszenz-markierte Hybridisierungssonden, die lediglich bei Bindung an die Targetnukleinsäure Fluoreszenzsignale emittieren oder in bestimmten Fällen auch durch Doppelstrang-DNA bindende Fluoreszenzfarbstoffe detektiert. Ein definierter Signalschwellenwert wird für alle analysierten Reaktionen festgelegt und die zur Erreichung des Schwellenwerts notwendige Zykluszahl Cp sowohl für die Targetnukleinsäure als auch für die Referenznukleinsäuren bestimmt. Auf der Grundlage der für die Targetnukleinsäure sowie die Referenznukleinsäure erhaltenen Cp-Werte können so entweder absolute oder relative Kopienzahlen des Targetmoleküls bestimmt werden.Methods for detecting and quantifying nucleic acids are known. Starting from an mRNA to be analyzed, first a single-stranded cDNA is produced by means of a reverse transcriptase, with the aid of a PCR then a double-stranded DNA amplification product is produced. The PCR can be used for both qualitative and quantitative statements. Quantification of PCR products can be done in different ways. Newer detection methods make it possible to measure the in-vitro synthesis of PCR products "real time", ie homogeneously directly in the PCR reaction vessel used in each case.This so-called "real time" PCR is a particularly sensitive method In each cycle of the PCR, the development of PCR products is monitored. The measurement of the amplification is usually carried out in thermocyclers, which have additional means for measuring fluorescence signals during the amplification reaction. The amplification products are detected, for example, by fluorescence-labeled hybridization probes which emit fluorescence signals only when bound to the target nucleic acid or, in certain cases, also by double-stranded DNA-binding fluorescent dyes. A defined signal threshold is determined for all the reactions analyzed and the cycle number Cp necessary to reach the threshold is determined for both the target nucleic acid and the reference nucleic acids. Based on the Cp values obtained for the target nucleic acid as well as the reference nucleic acid, either absolute or relative copy numbers of the target molecule can be determined.
Ein neueres Verfahren zum Nachweis eines spezifischen Nukleinsäuremoleküls verwendet so genannte „Molecular Beacons" (Tyagi et al. US 6,150,097A). Molecular Beacons sind farbstoffmarkierte Oligonukleotide, die eine Stamm-Schleifen-Struktur haben. An den beiden freien Enden der Stamm-Abschnitte (dem 3'- und dem 5'-Ende) ist jeweils ein Fluorophor gekoppelt, wobei der eine als Reporter-Farbstoff und der andere als Quencher-Farbstoff, der die Fluoreszenz des Reporter-Farbstoffs bei hinreichender räumlicher Nähe durch Foerster-Energietransfer löscht. Die Sequenzen der Stammabschnitte an beiden Enden der Molecular Beacons sind so gewählt, dass dann, wenn sich der Molecular Beacon faltet, die Stammabschnitte ausschließlich aneinander, nicht aber mit anderen Abschnitten des Oligonukleotids hybridisieren. Der Abstand zwischen Reporter- und Quencher-Farbstoff ist im Zustand der hybridisierten Stammabschnitte hinreichend klein, so dass der Fluoreszenz-Farbstoff auch bei geeigneter Anregung mit Licht nicht fluoresziert. Der Schleifen-Abschnitt weist eine Sequenz auf, die zur Sequenz einer Targetsequenz komplementär ist. Befinden sich die Molecular Beacons und die Targetsequenz aufweisenden Nukleinsäure-Moleküle in einer Lösung, können die Schleifenabschnitte und die Targetsequenz-Abschnitte hybridisieren, wodurch sich der Molecular Beacon unter Lösung der Hybridisierung der beiden Stammabschnitte entfaltet. Diese Entfaltung führt zur Vergrößerung des räumlichen Abstands zwischen dem Reporter-Farbstoff und dem Quencher-Farbstoff und der Reporter-Farbstoff wird zur Fluoreszenz angeregt. Bei kontinuierlicher Beobachtung der Fluoreszenz-Intensität kann ein Anstieg der Intensität festgestellt werden, wenn die Molecular Beacons die Targetsequenzen aufspüren und an diesen hybridisieren. So können die Nukleinsäuremoleküle quantitativ nachgewiesen werden. Diese Molecular Beacons haben den großen Nachteil einer aufwändigen und teuren Synthese, da diese Sonden sowohl mit dem Fluoreszenz- als auch mit dem Quencher-Farbstoff markiert werden müssen. Quencher-Fluoreszenzfarbstoff-Systeme werden in vergleichbaren Sondensystemen wie Amplifluor-Primer, Scorpions und TaqMan-Sonden genutzt.A recent method for detecting a specific nucleic acid molecule uses so-called "Molecular Beacons" (Tyagi et al., US 6,150,097A) Molecular Beacons are dye-labeled oligonucleotides having a stem-loop structure At the two free ends of the stem segments (FIG. the 3'- and the 5'-end) is in each case coupled to a fluorophore, wherein the one as reporter dye and the other as a quencher dye which quenches the fluorescence of the reporter dye with sufficient spatial proximity by Foerster energy transfer Sequences of the stem portions at both ends of the molecular beacons are chosen so that, when the molecular beacon folds, the stem portions hybridize exclusively to each other but not to other portions of the oligonucleotide. The distance between reporter and quencher dye is sufficiently small in the state of the hybridized stem portions, so that the fluorescent dye does not fluoresce even with appropriate excitation with light. The loop portion has a sequence that is complementary to the sequence of a target sequence. When the molecular beacons and target sequence-containing nucleic acid molecules are in solution, the loop portions and the target sequence portions may hybridize, thereby unfolding the molecular beacon resolving the hybridization of the two stem portions. This unfolding leads to an increase in the spatial distance between the reporter dye and the quencher dye and the reporter dye is excited to fluoresce. With continuous observation of fluorescence intensity, an increase in intensity can be detected as the molecular beacons detect and hybridize to the target sequences. Thus, the nucleic acid molecules can be detected quantitatively. These molecular beacons have the major drawback of a costly and expensive synthesis, since these probes must be labeled with both the fluorescence and the quencher dye. Quencher fluorescent dye systems are used in comparable probe systems such as Amplifluor primers, Scorpions and TaqMan probes.
Ein weiteres bekanntes System ist das Light-Cycler-System. Hier werden die Fluoreszenzfarbstoffe auf zwei verschiedene Oligonukleotide verteilt. Am 3'-Ende des ersten Oligonukleotids befindet sich der eine Fluoreszenzfarbstoff, z.B. Fluorescein, und das sich stromabwärts anlagernde Oligonukleotid hat am 5'-Ende einen weiteren Fluoreszenzfarbstoff, z.B. LC Red 640. Fluorescein wird von einer LED als Lichtquelle angeregt und emittiert Licht, das über Fluoreszenzresonanzenergietransfer (FRET) das zweite Fluoreszenzmolekül anregt. Das von dem zweiten Farbstoff emittierte Licht wird über einen entsprechenden Filter detektiert. Eine Anregung des zweiten Farbstoffs kann nur dann erfolgen, wenn sich durch die Anlagerung der beiden Oligonukleotide an ihren Komplementärstrang die beiden Farbstoffmoleküle in räumlicher Nähe (Distanz 1 bis 5 Nukleotide) befinden. Das Prinzip dieses Systems beruht auf der sekundären Anregung eines zweiten Fluoreszenzfarbstoffs, die erst durch die Generation des PCR-Produktes ermöglicht wird.Another well-known system is the Light Cycler system. Here, the fluorescent dyes are distributed to two different oligonucleotides. At the 3 'end of the first oligonucleotide is the one fluorescent dye, e.g. Fluorescein, and the downstream annealing oligonucleotide has at the 5 'end another fluorescent dye, e.g. LC Red 640. Fluorescein is excited by an LED as a light source and emits light, which excites the second fluorescent molecule via fluorescence resonance energy transfer (FRET). The light emitted by the second dye is detected by a corresponding filter. An excitation of the second dye can only take place if the two dye molecules are in spatial proximity (distance 1 to 5 nucleotides) due to the attachment of the two oligonucleotides to their complementary strand. The principle of this system is based on the secondary excitation of a second fluorescent dye, which is only made possible by the generation of the PCR product.
Die genannten Systeme sind grundsätzlich für Multiplexanwendungen einsetzbar, haben jedoch den Nachteil, dass - sollen verschiedene Zielsequenzen nebeneinander nachgewiesen werden - der Reaktionsansatz wegen der steigenden Zahl der verschiedenen Detektionssonden relativ teuer wird und die zunehmende Zahl der Sonden die Amplifikationsreaktion beeinträchtigen kann. Außerdem sind nicht genügend FRET- Paare bekannt, um einen hohen Multiplex-Grad zu erzielen. Die bisher existierenden Sondensysteme erlauben es auch nicht größere Sequenzabschnitte der Targetsequenz zu analysieren, ohne dass mehrere fluoreszenzmarkierte, und damit kostenintensive, Sonden synthetisiert werden müssen. Die Detektion mehrerer Targetsequenzen umfaßt auch die gleichzeitige Detektion von einer Targetsequenz und einem internen Standard oder mehrerer interner Standards in einer PCR, wobei die mehreren Standards für die Kalibration der Quantifizierung der Targetsequenz auch in unterschiedlichen Konzentrationen vorliegen können.The systems mentioned can basically be used for multiplex applications, but have the disadvantage that - should different target sequences are detected side by side - the reaction approach is relatively expensive because of the increasing number of different detection probes and the increasing number of probes may affect the amplification reaction. In addition, not enough FRET pairs are known to achieve a high degree of multiplexing. The previously existing probe systems also make it possible not to analyze larger sequence sections of the target sequence, without having to synthesize several fluorescently labeled, and thus costly, probes. The detection of multiple target sequences also involves the simultaneous detection of a target sequence and an internal standard or multiple internal standards in a PCR, wherein the multiple standards for the calibration of the quantification of the target sequence may also be present in different concentrations.
Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Primer-/Sonden- Systeme bereitzustellen, die kostengünstiger und einfach synthetisiert werden können und die gleiche oder verbesserte Sensitivität aufweisen. Durch geeignete Veränderung der Primerstrukturen soll eine Möglichkeit gefunden werden, den teuren Einsatz jeweils spezifischer Sondenoligonukleotide zu umgehen, wobei die Multiplex-Anwendung, die für die heutige Diagnostik immer wichtiger wird, nicht beeinträchtigt werden soll auch wenn größere Sequenzbereiche analysiert werden.It was therefore an object of the invention to provide methods and primer / probe systems which can be synthesized more cheaply and simply and which have the same or improved sensitivity. By suitable modification of the primer structures, a possibility should be found of circumventing the expensive use of specific probe oligonucleotides, whereby the multiplex application, which is becoming increasingly important for today's diagnostics, should not be impaired, even if larger sequence regions are analyzed.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum „real-time"-Nachweis von Nukleinsäuretargets als Produkte einer Nukleinsäure-Amplifikationsreaktion mittels eines neuen Primer-/Sondensystems. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Verwendung von mindestens einem Primer, der mindestens eine für die zu amplifizierende Nukleinsäure spezifische Sequenz (TSS) umfasst und der am 3'-Ende eine enzymatische Verlängerung komplementär zum Target gestatten. b) Einführung eines Fluorophors 1. Dabei kann dieses Fluorophor 1 in einer Ausführungsvariante direkt an einem ersten oder weiteren Primer vorliegen oder in einer Markierungsreaktion in einen Primer eingeführt werden. Alternativ kann es auch an einer Sonde vorliegen. c) Nach enzymatischer Verlängerung erfolgt der Einsatz von mindestens einer Sonde zum Nachweis des Targets, die mindestens am 3'-Ende ein Fluorophor 2 trägt. Dabei kann die mindestens eine Sonde mit dem Strang des zur Targetsequenz am 3'-Ende verlängerten Primers, der das Fluorophor 1 trägt, hybridisieren oder direkt an Target-unspezifische Abschnitte der Sonden.According to the invention, the object is achieved by a method for "real-time" detection of nucleic acid targets as products of a nucleic acid amplification reaction by means of a new primer / probe system.This method comprises the following steps: a) Use of at least one primer which comprises at least one for the nucleic acid-specific sequence to be amplified (TSS) and which permit enzymatic extension complementary to the target at the 3 'end b) introduction of a fluorophore 1. In one embodiment, this fluorophore 1 may be present directly on a first or further primer Alternatively, it may also be present on a probe c) After enzymatic extension, at least one probe is used to detect the target, which carries a fluorophore 2 at least at the 3 'end at least one probe with the strand of the target sequence at the 3 ' End extended primer carrying the fluorophore 1 hybridize or directly to target non-specific portions of the probes.
Dabei gelangen Fluorophore 1 und 2 in eine für den FRET ausreichende Nähe, so dass sie bei Anregung durch Licht entsprechender Wellenlänge eine Detektion der Fluoreszenz des Akzeptors ermöglichen. Das heißt, einer der beiden Fluorophore wird durch Licht geeigneter Wellenlänge angeregt, so dass zwischen Fluorophor 1 und 2 ein FRET stattfindet, der fluoreszenzoptisch detektiert wird. Eine solche ausreichende Nähe zwischen den beiden Fluorophoren liegt z.B. dann vor, wenn die beiden Fluorophore 1 und 2 nicht mehr als 10 Nukleotide voneinander getrennt vorliegen, bevorzugt nicht mehr als 5 Nukleotide, ganz besonders bevorzugt beträgt der Abstand zwischen Fluorophor 1 und 2 ein bis 5 Nukleotide. Dabei spielt es keine Rolle, ob Fluorophor 2 stromabwärts oder stromaufwärts von Fluorophor 1 im entsprechenden Abstand zum liegen kommt. Überraschenderweise wird der FRET zwischen Fluorophor 1 und 2 auch nicht dadurch beeinträchtigt, dass erfindungsgemäß Fluorophor 1 und Fluorophor 2 auf gegenläufigen Strängen positioniert sind.In this case, fluorophores 1 and 2 reach a sufficient proximity for the FRET, so that upon excitation by light of corresponding wavelength, a detection of the fluorescence allow the acceptor. That is, one of the two fluorophores is excited by light of a suitable wavelength, so that a FRET takes place between fluorophore 1 and 2 which is detected by fluorescence optics. Such a sufficient proximity between the two fluorophores is present, for example, when the two fluorophores 1 and 2 are not more than 10 nucleotides apart, preferably not more than 5 nucleotides, most preferably the distance between fluorophore 1 and 2 is one to five nucleotides. It does not matter whether fluorophore 2 comes to lie downstream or upstream of fluorophore 1 at the appropriate distance. Surprisingly, the FRET between fluorophore 1 and 2 is also not affected by the fact that according to the invention fluorophore 1 and fluorophore 2 are positioned on opposite strands.
Mittel und Wege zur Anregung der Fluorophore mit Licht geeigneter Wellenlänge und Geräte und Verfahren zur Detektion der Fluoreszenz nach erfolgtem FRET sind dem Fachmann bekannt.Means and ways for excitation of the fluorophores with light of suitable wavelength and devices and methods for the detection of the fluorescence after FRET are known to those skilled in the art.
Ebenso sind dem Fachmann Techniken, Mittel und Wege bekannt erfindungsgemäße Primer und Sonden herzustellen und gegebenenfalls mit Fluorophori oder 2 zu versehen. Markierungsreaktionen zur kovalenten Kopplung von Primern oder Sonden mit entsprechenden Fluorophoren sind dem Fachmannn ebenso bekannt, wie geeignete Bedingungen zur Hybridisierung von z.B. mit Fluorophor 1 markierten Sonden mit erfindungsgemäßen Primern.Likewise, those skilled in the art techniques, means and ways known primers and probes according to the invention to produce and optionally provided with Fluorophori or 2. Labeling reactions for covalent coupling of primers or probes to corresponding fluorophores are well known to those skilled in the art, as are suitable conditions for hybridization of e.g. Fluorophore 1 labeled probes with primers according to the invention.
Erfindungsgemäße Primer zeichnen sich dadurch aus, dass diese eine enzymatische Verlängerung an ihrem 3'-Ende erlauben, gegebenenfalls können die erfindungsgemäßenInventive primers are characterized in that they allow an enzymatic extension at its 3'-end, optionally, the inventive
Primer eine oder mehrere Modifikationen an ihrem 3'-Ende tragen, welche eine enzymatische Verlängerung des 3'-Endes komplementär zum Target erlauben. SolchePrimers carry one or more modifications at their 3 'end which allow enzymatic extension of the 3' end complementary to the target. Such
Modifikationen sind dem Fachmann bekannt. Besonders bevorzugt besteht eine solcheModifications are known to the person skilled in the art. Particularly preferred is such
Modifikation in einer freien Hydroxygruppe der terminalen Base am 3'-Ende des erfindungsgemäßen Primers, welche sich zur enzymatischen Verlängerung eignet.Modification in a free hydroxy group of the terminal base at the 3 'end of the primer according to the invention, which is suitable for enzymatic extension.
Geeignete Mittel und Wege zur enzymatischen Verlängerung der erfindungsgemäßen Primer an ihrem 3'-Ende komplementär zum Target sind dem Fachmann bekannt. Eine solche enzymatische Verlängerung kann z.B. durch Verwendung einer geeigneten DNA- Polymerase vermittelt werden. Entsprechende Reaktionsbedingungen sind dem Fachmann bekannnt. Eine Target-spezifische Sequenz (TSS) ist eine Nukleotidsequenz, die zu einem bestimmten Abschnitt der Targetsequenz komplementär ist und eine spezifische Hybridisierung zwischen dem Targetstrang und TSS-tragendem Primer- oder Sondenstrang ermöglicht. Bevorzugt hat eine TSS eine Länge von 3 bis 100 Nukleotiden, besonders bevorzugt von 3 bis 50, ganz besonders bevorzugt von 5 bis 35 Nukleotiden.Suitable means and routes for enzymatic extension of the primers according to the invention at their 3'-end complementary to the target are known to those skilled in the art. Such enzymatic extension can be mediated, for example, by use of a suitable DNA polymerase. Corresponding reaction conditions are known to the person skilled in the art. A Target Specific Sequence (TSS) is a nucleotide sequence that is complementary to a particular portion of the target sequence and allows for specific hybridization between the target strand and TSS-bearing primer or probe strand. Preferably, a TSS has a length of 3 to 100 nucleotides, more preferably from 3 to 50, most preferably from 5 to 35 nucleotides.
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens ist im folgenden dargestellt:Another embodiment of the method is shown below:
Verfahren zum Echtzeit-Nachweis von Nukleinsäuretargets als Produkte einer Nukleinsäure-Amplifikationsreaktion mittels einem Primer/Sondensystem umfassend die Schritte:Method for the real-time detection of nucleic acid targets as products of a nucleic acid amplification reaction by means of a primer / probe system comprising the steps:
a. Verwendung von mindestens einem Primer, der mindestens eine für die zu amplifizierende Nukleinsäuretarget spezifische Sequenz (TSS) umfasst und der am 3'-Ende eine enzymatische Verlängerung komplementär zum Target gestatten.a. Use of at least one primer which comprises at least one sequence specific to the nucleic acid target to be amplified (TSS) and which at the 3'-end allows enzymatic extension complementary to the target.
b. Einführung eines Fluorophors 1 an dem mindestens einen Primer aus Schritt a), bevorzugt mittels kovalenter Bindung an den mindestens einen Primer oder mittels einer mit Fluorophor 1 markierten Sonde, welche spezifisch an den mindestens einen Primer hybridisiert.b. Introduction of a fluorophore 1 to the at least one primer from step a), preferably by means of covalent bonding to the at least one primer or by means of a probe labeled with fluorophore 1, which hybridizes specifically to the at least one primer.
c. Enzymatische Verlängerung des mindestens einen Primers.c. Enzymatic extension of the at least one primer.
d. Einsatz von mindestens einer Sonde 2, die mindestens am 3'-Ende ein Fluorophor 2 trägt. Dabei kann die mindestens eine Sonde 2 mit demd. Use of at least one probe 2 which carries a fluorophore 2 at least at the 3 'end. In this case, the at least one probe 2 with the
Strang des zur Targetsequenz am 3'-Ende verlängerten mindestens einen Primers aus Schritt c), der das Fluorophor 1 trägt, hybridisieren, sodass Fluophor 1 und Fluophor 2 so in räumliche Nähe gelangen, dass ein Fluoreszenzresonanzenergietransfer zwischen den Fluophoren 1 und 2 möglich ist.Strand of the target sequence at the 3 'end extended at least one primer from step c), which carries the fluorophore 1, hybridize, so that Fluophore 1 and Fluophore 2 come in close proximity, that a fluorescence resonance energy transfer between the Fluophores 1 and 2 is possible.
e. Anregung eines der beiden Fluorophore durch Licht geeigneter Wellenlänge, so dass zwischen den Fluorophoren 1 und 2 ein Fluoreszenzresonanzenergietransfer stattfindet.e. Excitation of one of the two fluorophores by light of suitable wavelength, so that between the fluorophores 1 and 2 takes place a fluorescence resonance energy transfer.
f. Fluoreszenzoptische Detektion der Fluoreszenz. In einer besonderen Ausführungsform sind die zwei verschiedenen, jeweils mit einem FRET-Donor bzw. FRET-Akzeptor markierten Primer-/Sonden-Oligonukleotide so konstruiert, dass sich nach erfolgter Hybridisierung durch Ausbildung einer intramolekularen Haarnadel zwischen einer Haarnadelbildungssequenz (HBS) des mindestens einen Primers und des zur HBS komplementären Abschnitts des enzymatisch verlängerten mindestens einen Primers, die Fluorophore 1 und 2 in einer für den FRET ausreichenden Nähe befinden, so dass sie während eines PCR-Zyklus eine Fluoreszenz des Akzeptors ermöglichen. Das heißt, einer der beiden Fluorophore wird durch Licht geeigneter Wellenlänge angeregt, so dass zwischen Fluorophor 1 und 2 ein FRET stattfindet, der fluoreszenzoptisch detektiert wird. Eine solche ausreichende Nähe zwischen den beiden Fluorophoren liegt z.B. dann vor, wenn die beiden Fluorophore 1 und 2 nicht mehr als 10 Nukleotide voneinander getrennt vorliegen, bevorzugt nicht mehr als 5 Nukleotide, ganz besonders bevorzugt zwischen 1 bis 5 Nukleotide. Wird die erforderliche Nähe zwischen Fluorophor 1 und Fluorophor 2 über eine Haarnadelstruktur vermittelt, ist die räumliche Nähe der beiden Fluorophore unabhängig von dem tatsächlichen Nukleotidabstand auf der linearen Sequenz des Stranges, der mit Sonde 2 hybridisert. Dabei spielt es keine Rolle, ob Fluorophor 2 stromabwärts oder stromaufwärts von Fluorophor 1 im entsprechenden Abstand zum liegen kommt. Überraschenderweise wird der FRET zwischen Fluorophor 1 und 2 auch nicht dadurch beeinträchtigt, dass erfindungsgemäß Fluorophor 1 und Fluorophor 2 auf gegenläufigen Strängen positioniert sind.f. Fluorescence optical detection of fluorescence. In a particular embodiment, the two different, each with a FRET donor or FRET acceptor labeled primer / probe oligonucleotides are constructed so that after hybridization by forming an intramolecular hairpin between a hairpin sequence (HBS) of the at least one primer and the HBS-complementary portion of the enzymatically extended at least one primer, the fluorophores 1 and 2 are in a proximity sufficient for the FRET to allow fluorescence of the acceptor during a PCR cycle. That is, one of the two fluorophores is excited by light of a suitable wavelength, so that a FRET takes place between fluorophore 1 and 2 which is detected by fluorescence optics. Such a sufficient proximity between the two fluorophores is present, for example, when the two fluorophores 1 and 2 are not more than 10 nucleotides apart, preferably not more than 5 nucleotides, very particularly preferably between 1 and 5 nucleotides. When the required proximity between fluorophore 1 and fluorophore 2 is mediated via a hairpin structure, the spatial proximity of the two fluorophores is independent of the actual nucleotide spacing on the linear sequence of the strand that hybridizes to probe 2. It does not matter whether fluorophore 2 comes to lie downstream or upstream of fluorophore 1 at the appropriate distance. Surprisingly, the FRET between fluorophore 1 and 2 is also not affected by the fact that according to the invention fluorophore 1 and fluorophore 2 are positioned on opposite strands.
Eine Haarnadelbildungssequenz (HBS) ist eine Nukleotidsequenz, die eine Sequenz aufweist, die zu einer stomabwärts oder stromaufwärts gelegenen weiteren Nukleotidsequenz desselben Strangmoleküls komplementär ist und eine intramolekulare Hybridisierung der beiden komplementären Strangbereiche erlaubt. So wird eine intramolekulare sog. Haarnadelstruktur gebildet. Bevorzugt besitzt die HBS eine Sequenz die im Wesentlichen identisch ist mit einem Sequenzabschnitt des Targets, wobei dieser Targetabschnitt (auch Komplement zu TBS 2 genannt) stromabwärts von der targetspezifischen Bindungsstelle des Primers (dem Komplement zu TSS 1 ) in Richtung der enzymatischen Verlängerung des HBS-tragenden Primers oder Sonde liegt. Bevorzugt hat eine HBS eine Länge von 3 bis 100 Nukleotiden, besonders bevorzugt von 3 bis 50, ganz besonders bevorzugt von 3 bis 35 Nukleotiden, bzw. von 3 bis 20 Nukleotiden.A hairpin sequence (HBS) is a nucleotide sequence that has a sequence that is complementary to a downstream or upstream additional nucleotide sequence of the same strand molecule and that permits intramolecular hybridization of the two complementary strand regions. Thus an intramolecular so-called hairpin structure is formed. The HBS preferably has a sequence which is essentially identical to a sequence segment of the target, this target segment (also called complement to TBS 2) downstream of the target-specific binding site of the primer (the complement to TSS 1) in the direction of the enzymatic extension of the HBS molecule. carrying primer or probe is located. Preferably, a HBS has a length of 3 to 100 nucleotides, more preferably from 3 to 50, most preferably from 3 to 35 nucleotides, or from 3 to 20 nucleotides.
Ein solches Verfahren ist im folgenden beschrieben: Verfahren zum Echtzeit-Nachweis von Nukleinsäuretargets als Produkte einer Nukleinsäure-Amplifikationsreaktion mittels einem Primer/Sondensystem umfassend die Schritte:Such a method is described below: Method for the real-time detection of nucleic acid targets as products of a nucleic acid amplification reaction by means of a primer / probe system comprising the steps:
a) Einsatz von mindestens einem Primer, der mindestens eine für die zu amplifizierende Nukleinsäure targetspezifische Sequenz (TSS), sowie eine Haarnadelbildungssequenz (HBS) umfasst, der am 3'-Ende eine enzymatische Verlängerung komplementär zum Target gestatten und die Einführung eines Fluorophores 1 durch kovalente Bindung oder durch Bindung einer Sonde 1 erlaubt.a) Use of at least one primer which comprises at least one target-specific sequence (TSS) for the nucleic acid to be amplified, as well as a hairpin formation sequence (HBS), which at the 3'-end permit enzymatic extension complementary to the target and the introduction of a fluorophore 1 through covalent bond or by binding a probe 1 allowed.
b) Einführung mindestens eines Fluorophor 1 durch kovalente Bindung an den mindestens einen Primer aus Schritt a) oder durch Hybridisierung einer Sondeb) Introduction of at least one fluorophore 1 by covalent bonding to the at least one primer from step a) or by hybridization of a probe
1 , die mit Fluorophor 1 markiert ist, mit dem mindestens einen Primer aus Schritt a).1, which is labeled with fluorophore 1, with the at least one primer from step a).
c) Enzymatische Verlängerung des Primers am 3'-Ende.c) Enzymatic extension of the primer at the 3'-end.
d) Einsatz von mindestens einer Sonde 2, die mindestens am 3'-Ende ein Fluorophor 2 trägt, wobei die eine Sonde mit dem am 3'-Ende verlängerten Primer hybridisiert, sodass Fluophor 1 und Fluophor 2 so in räumliche Nähe gelangen, dass ein Fluoreszenzresonanzenergietransfer zwischen den Fluophoren 1 und 2 möglich ist.d) use of at least one probe 2 which carries a fluorophore 2 at least at the 3 'end, wherein the one probe hybridizes with the primer extended at the 3' end, so that fluophore 1 and fluophore 2 come into close proximity to one another Fluorescence resonance energy transfer between the fluorophores 1 and 2 is possible.
e) Ausbildung von mindestens einer intramolekularen oder intermolekularen Haarnadel durch Hybridisierung der HBS des gemäß Schritt c) verlängerten mindestens einem Primer mit dem zur HBS komplementären Abschnitt des verlängerten Primer oder mit einem zur HBS komplementären Abschnitt vone) formation of at least one intramolecular or intermolecular hairpin by hybridization of the HBS of the at least one primer extended according to step c) with the section of the extended primer that is complementary to the HBS or with a section of the HBS - complementary section of
Sonde 2.Probe 2.
f) Anregung eines der beiden Fluorophore durch Licht geeigneter Wellenlänge, so dass zwischen den Fluorophoren 1 und 2 ein Fluoreszenzresonanzenergietransfer stattfindet.f) excitation of one of the two fluorophores by light of a suitable wavelength, so that a fluorescence resonance energy transfer takes place between the fluorophores 1 and 2.
g) Fluoreszenzoptische Detektion der Fluoreszenz. In einer besonderen Ausführungsvariante der Erfindung weist der Loop der gebildeten Haarnadelstruktur eine Sequenzlänge von mindestens 3 Nukleotiden auf, bevorzugt von mehr als 5 Nukleotiden, besonders bevorzugt von mehr als 10 Nukleotiden, weiter bevorzugt von mehr als 20 Nukleotiden, ganz besonders bevorzugt von 25 oder mehr Nukleotiden, oder wobei die Sequenzlänge der Loop-Struktur ausgewählt ist aus einem Bereich von 25 bis 60 Nukleotiden.g) fluorescence optical detection of fluorescence. In a particular embodiment of the invention, the loop of the hairpin structure formed has a sequence length of at least 3 nucleotides, preferably more than 5 nucleotides, more preferably more than 10 nucleotides, more preferably more than 20 nucleotides, most preferably 25 or more Nucleotides, or wherein the sequence length of the loop structure is selected from a range of 25 to 60 nucleotides.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können noch eine oder mehrere weitere Sonden zum Einsatz kommen, die markiert oder unmarkiert sein könnnen und die zumindest teilweise innerhalb der Loop-Sequenz der gebildeten Haarnadelstruktur an den Strang des verlängerten mindestens einen Primers spezifisch binden könnnen. Solche weiteren Sonden können vor, während oder nach dem Einsatz der mit Fluorophor 2 markierten Sonde 2 mit dem verlängerten mindestens einen Primer hybridisiert werden. Dabei ist die Sequenz der mindestens einen weiteren Sonde so gewählt, dass bei erfolgter Hybridisierung dieser weiteren Sonde an den verlängerten Primer, die Haarnadelstruktur so verändert wird, dass zwischen Fluorophor 1 und Fluorophor 2 kein FRET mehr stattfinden kann. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn die Haarnadelstruktur durch die Bindung der mindestens einen weiteren Sonde destabilisiert wird oder die Harrnadelstruktur sogar aufgelöst wird. Die Destabilisierung der Haarnadel bzw. die Auflösung der Haarnadel kann dadurch erreicht werden, dass die spezifische Bindungssequenz der mindestens einen weiteren Sonde mindestens teilweise mit der Stammregion der Haarnadel überlappt. Die weitere Sonde kann auch mit der in die Haarnadel hineinreichenden Sequenz von Primer 1 überlappen.In the method according to the invention, one or more further probes may be used which may be labeled or unlabelled and which may specifically bind at least partially within the loop sequence of the hairpin structure formed to the strand of the extended at least one primer. Such additional probes may be hybridized with the extended at least one primer before, during or after use of the fluorophor 2 labeled probe 2. In this case, the sequence of the at least one further probe is selected so that when hybridization of this further probe to the extended primer, the hairpin structure is changed so that between FRF 1 and fluorophore 2 no more FRET can take place. This is e.g. then the case when the hairpin structure is destabilized by the binding of the at least one further probe or the Harrnadelstruktur is even dissolved. The destabilization of the hairpin or the dissolution of the hairpin can be achieved by overlapping the specific binding sequence of the at least one further probe at least partially with the stem region of the hairpin. The further probe may also overlap with the sequence of primer 1 extending into the hairpin.
Daneben kann an die Haarnadel eine bevorzugt am 3'-Ende blockierte oder am 3'-Ende nicht komplementäre Sonde (Blockadesonde), die bevorzugt keinen Fluoreszenzfarbstoff trägt, hybridisieren und zur Auflösung der Haarnadel und Aufhebung des für einen FRET erforderlichen Abstandes zwischen Fluorophor 1 und 2 beitragen. Alternativ oder in Kombination zu dieser Sonde können Teilsequenzen ko-amplifizierter Targetsequenzen wie z.B. Pathogensequenzen oder interne Standards in der Haarnadel hybridisieren.In addition to the hairpin a preferably at the 3'-end blocked or at the 3'-end non-complementary probe (blocking probe), which preferably carries no fluorescent dye, hybridize and to dissolve the hairpin and cancel the required for a FRET distance between fluorophore 1 and 2 contribute. Alternatively or in combination with this probe, partial sequences of co-amplified target sequences, e.g. Hybridize pathogen sequences or internal standards in the hairpin.
Durch differentielle Hybridisierung z.B. während der Aufzeichnung von Schmelzkurven ist es möglich, Sequenzpolymorphismen unter Verwendung einer mindestens einen weiteren Sonde, bevorzugt mindestens einer nicht markierten Blockadesonde oder ko-amplifizierter Targetsequenzen über weite Sequenzbereiche der Haarnadel zu identifizieren.By differential hybridization e.g. during melting curve recording, it is possible to identify sequence polymorphisms using at least one additional probe, preferably at least one unlabeled blocking probe or co-amplified target sequences, over wide sequence regions of the hairpin.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung weist der mindestens eine Primer am 5'-Ende zusätzlich einen zum Target unspezifischen Schwanz auf. Fluorophor 1 kann zum Beispiel am spezifischen oder unspezifischen Teil eines ersten Primers oder an einem weiteren Primer vorliegen. Die Anordnung der Fluorophore ist dabei austauschbar, so dass Fluorophor 1 an einem Primer und Fluorophor 2 an der Sonde vorliegen kann bzw. umgekehrt. Alternativ können Fluorophor 1 und 2 in Sonden eingebracht werden. In welcher Richtung FRET erfolgt bzw. detektiert wird hat keinen Einfluss auf das erfindungsgemäße Verfahren, beide Richtungen sind von der Erfindung umfasst. Vorzugsweise liegen die Fluorophore 1 und 2 kovalent gebunden an Primern und Sonden vor.In a further embodiment of the invention, the at least one primer additionally has a tail which is unspecific to the target at the 5 'end. Fluorophore 1 can be used for Example at the specific or unspecific part of a first primer or on another primer. The arrangement of the fluorophores is exchangeable, so that fluorophore 1 can be present on a primer and fluorophore 2 on the probe or vice versa. Alternatively, fluorophore 1 and 2 can be incorporated into probes. In which direction FRET takes place or is detected has no influence on the method according to the invention, both directions are encompassed by the invention. Preferably, the fluorophores 1 and 2 are covalently bonded to primers and probes.
Die Erfindung basiert auf einem neuartigen Primer-/Sonden-Design, wobei in einer ganz besonders bevorzugten Variante des mindestens einen Primer dieser eine Teilsequenz aufweist, die im 5'-Bereich teilweise komplementär zu seinem 3'-Bereich ist, so dass sie eine intramolekulare Haarnadel bildet.The invention is based on a novel primer / probe design, wherein in a very particularly preferred variant of the at least one primer, this has a partial sequence which is partially complementary to its 3 'region in the 5' region, so that it has an intramolecular Hairpin forms.
Vorzugsweise kann der mindestens eine Primer das Fluorophor 1 am 5'-Ende aufweisen, wobei der Primer entweder nur aus einer Target-spezifischen Sequenz besteht oder zusätzlich einen unspezifischen Schwanz besitzt. Nach enzymatischer Verlängerung und erfolgter Sondenhybridisierung bildet zum Nachweis des Targets der Primer am 5'-Ende partiell bzw. vollständig eine Haarnadel mit sich selbst oder zu der komplementär zum Target verlängerten Primersequenz, so dass ein FRET-Signal entsteht.Preferably, the at least one primer may have the fluorophore 1 at the 5 'end, wherein the primer consists either only of a target-specific sequence or additionally has a nonspecific tail. After enzymatic extension and probe hybridization, the primer at the 5 'end partially or completely forms a hairpin with itself or to the primer sequence that is complementary to the target to detect the target, so that a FRET signal is produced.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das 5'-Ende des Primers Target- unspezifisch und komplementär zum 3'-Ende einer Sonde, die ihrerseits mit ihrem 5'- Bereich an das Target hybridisiert. Dabei bildet sich eine haarnadelartige Loop-Struktur zwischen verlängertem Primer und Sonde aus. Fluorophor 1 am 5'-Ende Primers und Fluorophor 2 bevorzugt am 3'-Ende der Sonde, die somit gleichzeig blockiert ist, kommen durch die Loop-Bildung in räumliche Nähe, so dass FRET stattfindet. Alternativ kann das sequenzunspezifsche, mit Fluophor 1 markierte 5'-Ende des Primers auch an das komplentäre, nicht Target-spezifische Ende der 5'-Ende der Sonde hybridisieren. Auch in diesem Falle tritt FRET ein, wenn die Sonde im Bereich des 5'- Endes Fluophor 2 trägt. Natürlich ist es auch möglich, dass der Primer im Bereich des 5'- Endes mit Fluophor 1 markiert ist und die Sonde am 5'-Ende mit Fluophor 2. Fluophor 2 kann auch am Primer gebunden sein, wenn die Sonde Fluophor 2 trägt. Es ist ebenfalls vorgesehen, dass Primer 1 ein Sondenprimer ist, der aus einem Targetsequenz-spezifischen 3'- und einem Targetsequenz-unspezifischen 5'-Abschnitt besteht und in der PCR spezifitätsbestimmend ist. Ein Primer 2 der eines der beiden Fluophore trägt und sequenzgleich mit dem Targetsequenz-unspezifischen Abschnitt des Sondenprimers ist, bestimmt dagegen die Sensitivität der Amplifikation. Dadurch ist es möglich, im Multiplex-Ansatz unter Verwendung verschiedener Sondenprimer und eines universellen Primer 2 der in alle Amplikons kostengünstig ein Fluorophor einfügt. Auf diese Weise können auch alle anderen Ausführungsvarianten für den Multiplex-Einsatz erweitert werden.In another embodiment of the invention, the 5 'end of the primer target is nonspecific and complementary to the 3' end of a probe which in turn hybridizes with its 5 'region to the target. This forms a hairpin-like loop structure between extended primer and probe. Fluorophore 1 at the 5 'end of the primer and fluorophore 2 preferably at the 3' end of the probe, which is thus blocked at the same time, come into close proximity through the loop formation, so that FRET takes place. Alternatively, the sequence-unspecific fluorophore-labeled 5 'end of the primer can also hybridize to the complementary, non-target specific end of the 5' end of the probe. Also in this case, FRET occurs when the probe carries fluorophore 2 in the region of the 5 'end. Of course, it is also possible that the primer is labeled in the region of the 5 'end with Fluophore 1 and the probe at the 5' end with Fluophore 2. Fluophore 2 can also be bound to the primer if the probe carries Fluophore 2. It is also contemplated that primer 1 is a probe primer consisting of a target sequence specific 3 'and a target sequence unspecific 5' portion and is specific for the PCR. On the other hand, a primer 2 which carries one of the two fluophores and is in sequence with the target sequence-unspecific section of the probe primer determines the sensitivity of the amplification. That's it possible, in a multiplexed approach using different probe primers and a universal primer 2 which inexpensively inserts a fluorophore into all amplicons. In this way, all other variants for multiplex use can be extended.
In einer ganz bevorzugten erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens drei Primer verwendet. Dabei umfasst es die folgenden Schritte: In einer ersten Reaktion erfolgt der Einsatz eines Primerpaares 1 und 2. Der gewählte Vorwärtsprimer 1 umfasst mindestens eine Targetbindungssequenz 1 (TSS 1 ) und mindestens eine Haarnadelbildungssequenz (HBS) und ist so konstruiert, dass TSS 1 an das zu amplifizierende Target binden kann. Anschließend wird dieser Primer 1 komplementär zum Target verlängert, Rückwärtsprimer 2 bindet an das komplementäre Target und wird ebenfalls verlängert. Primer 1 enthält vorzugsweise eine TSS 1 und eine HBS. In einer Variante enthält er mehrere HBS, die sich geringfügig bis vollständig unterscheiden. So können in einer Reaktion mehrere Targetsequenzen in Summe erfasst werden (z.B. Erfassung humaner Papillomaviren der Gruppen „hohes Risiko" und „geringes Risiko"). In einer weiteren Reaktion wird ein Primer 3 eingesetzt, welcher mit dem 5'-Bereich von Primer 1 identisch oder teilweise identisch ist, jedoch keine TSS aufweist. Primer 3 trägt gegebenenfalls das Fluorophor 1 am 5'-Ende . Er ist so konstruiert, dass er eine Haarnadel 1 vollständig oder teilweise mit sich selbst oder mit komplementären Abschnitten der Primer 1 -Sequenz bilden kann. Die Bedingungen werden so eingestellt, dass mit Primer 2 und 3 eine enzymatische Verlängerung und ggf. eine Amplifikation in einem oder mehreren Zyklen stattfindet. Dabei bindet die mindestens eine HBS von Primer 1 an einen oder mehrere weitere(n) Targetbindungsabschnitt(e), welche(r) nun zwischen verlängertem Primer 1 und der komplementären Sequenz von Primer 2 liegt, wodurch eine Haarnadel 2 entsteht. Wird das Amplifikat dann mit der mit Fluorophor 2 markierten Sonde in Kontakt gebracht, kann das mit dem Fluorophor 1 gebildete FRET- Signal detektiert werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung trägt der Primer 3 Fluorophor 1 und die Sonde mit Fluorophor 2 am 3'-Ende hybrisidisiert vollständig an der Targetsequenz. Alternativ kann die Sonde mit Fluorophor 2 am 3'-Ende über Haarnadel 2 und Primer 1 an der Targetssequenz hybridisieren. Die Loop-Sequenz in Haarnadel 2 beträgt bevorzugt 10-100 Nuklotide kann aber in Abhängigkeit der Analysefragestellung auch 50-1000 Nukleotide betragen.In a very preferred embodiment of the invention, the method is characterized in that it uses at least three primers. In this case, it comprises the following steps: In a first reaction, the use of a primer pair 1 and 2. The selected forward primer 1 comprises at least one target binding sequence 1 (TSS 1) and at least one hairpin sequence (HBS) and is designed so that TSS 1 can be attached to the can bind to target to be amplified. Subsequently, this primer 1 is extended complementary to the target, reverse primer 2 binds to the complementary target and is also extended. Primer 1 preferably contains a TSS 1 and a HBS. In one variant, it contains several HBS, which differ slightly to completely. Thus, in a reaction, multiple target sequences can be detected in total (e.g., detection of high risk and low risk human papillomaviruses). In a further reaction, a primer 3 is used which is identical or partially identical to the 5 'region of primer 1 but has no TSS. Primer 3 optionally carries fluorophore 1 at the 5 'end. It is designed so that it can form a hairpin 1 completely or partially with itself or with complementary portions of the primer 1 sequence. The conditions are adjusted so that with primer 2 and 3 an enzymatic extension and optionally an amplification takes place in one or more cycles. The at least one HBS of primer 1 binds to one or more further target binding portion (s), which now lies between extended primer 1 and the complementary sequence of primer 2, whereby a hairpin 2 is formed. If the amplificate is then brought into contact with the fluorophore 2 labeled probe, the FRET signal formed with the fluorophore 1 can be detected. In a preferred embodiment, the primer 3 carries fluorophore 1 and the probe with fluorophore 2 at the 3 'end hybridizes completely to the target sequence. Alternatively, the probe can hybridize with fluorophore 2 at the 3 'end via hairpin 2 and primer 1 at the target sequence. The loop sequence in hairpin 2 is preferably 10-100 nucleotides but can also be 50-1000 nucleotides depending on the analysis question.
Ein solches erfindungsgemäßes Vefahren ist im folgenden dargestellt: a) in einer ersten Reaktion,Such a method according to the invention is shown below: a) in a first reaction,
Einsatz eines Primerpaares 1 und 2, wobei der Vorwärtsprimer 1 mindestens eineUse of a primer pair 1 and 2, wherein the forward primer 1 at least one
Targetbindungssequenz 1 (TSS 1 ) und mindestens eine Haarnadelbildungssequenz (HBS) umfasst, wobei die HBS identisch ist zu einem Abschnitt der Targetsequenz, der sich zwischen der TSS 1 und der Bindungsstelle des Rückwärtsprimer 2 befindet, die TSS 1 des Vorwärtsprimer 1 an das zu amplifizierende Target bindet, anschließend Vorwärtsprimer 1 komplementär zum Target enzymatisch verlängert wird, und danach Rückwärtsprimer 2 an das Produkt der Verlängerung des Vorwärtsprimers 1 bindet und ebenfalls enzymatisch verlängert wird.Target binding sequence 1 (TSS 1) and at least one hairpin sequence (HBS), wherein the HBS is identical to a portion of the target sequence, which is located between the TSS 1 and the binding site of the reverse primer 2, the TSS 1 of the forward primer 1 to be amplified Target binds, then forward primer 1 is complemented enzymatically to the target, and then reverse primer 2 binds to the product of extension of forward primer 1 and is also enzymatically extended.
b) in einer weiteren Reaktion,b) in a further reaction,
- Einsatz eines Primer 3, welcher- Use of a primer 3, which
• mit dem 5'-Bereich von Primer 1 identisch oder teilweise identisch ist,Is identical or partially identical to the 5 'region of primer 1,
• das Fluorophor 1 trägt, und• carries the fluorophore 1, and
• wobei Primer 3 so konstruiert ist, dass er eine erste intramolekulare Haarnadel vollständig oder teilweise mit sich selbst oder mit entsprechenden Abschnitten der Primer 1 - Sequenz bilden kann, undWherein primer 3 is constructed so that it can form a first intramolecular hairpin completely or partially with itself or with corresponding portions of the primer 1 sequence, and
- Enzymatische Verlängerung des Primer 3 unter Verwendung des verlängerten Rückwärtsprimers 2 aus Schritt a) als Matritze.Enzymatic extension of primer 3 using the extended reverse primer 2 from step a) as a template.
c) Einsatz von mindestens einer Sonde 2, die mindestens am 3'- Ende ein Fluorophor 2 trägt, wobei die Sonde 2 mit dem verlängerten Primer 3 hybridisiert, sodass Fluophor 1 und Fluophor 2 so in räumliche Nähe gelangen, dass ein Fluoreszenzresonanzenergietransfer zwischen den Fluophoren möglich ist.c) Use of at least one probe 2, which carries a fluorophore 2 at least at the 3 'end, wherein the probe 2 hybridizes with the extended primer 3 so that Fluophore 1 and Fluophore 2 come into spatial proximity such that a fluorescence resonance energy transfer between the fluors is possible.
d) Ausblidung einer zweiten intramolekularen Haarnadel im verlängerten Primer 3 aus Schritt b) durch Hybridisierung der mindestens einen HBS der ursprünglichen Primer 1-Sequenz mit dem zu dieser HBS komplementären Abschnitt des verlängerten Primer 3.d) evisceration of a second intramolecular hairpin in the extended primer 3 from step b) by hybridization of the at least one HBS of the original primer 1 sequence with the HBS complementary portion of the extended primer 3.
e) Anregung eines der beiden Fluorophore durch Licht geeignetere) excitation of one of the two fluorophores by light suitable
Wellenlänge, so dass zwischen den Fluorophoren 1 und 2 ein Fluoreszenzresonanzenergietransfer stattfindet.Wavelength, so that between the fluorophores 1 and 2 takes place a fluorescence resonance energy transfer.
f) Fluoreszenzoptische Detektion der Fluoreszenz.f) fluorescence optical detection of fluorescence.
In einer besonderen Ausführungsvariante der Erfindung weist der Loop der gebildeten Haarnadelstruktur 2 eine Sequenzlänge von mindestens 3 Nukleotiden auf, bevorzugt von mehr als 5 Nukleotiden, besonders bevorzugt von mehr als 10 Nukleotiden, weiter bevorzugt von mehr als 20 Nukleotiden, ganz besonders bevorzugt von 25 oder mehr Nukleotiden, oder wobei die Sequenzlänge der Loop-Struktur ausgewählt ist aus einem Bereich von 25 bis 60 Nukleotiden.In a particular embodiment of the invention, the loop of the hairpin structure 2 formed has a sequence length of at least 3 nucleotides, preferably more than 5 nucleotides, more preferably more than 10 nucleotides, more preferably more than 20 nucleotides, most preferably 25 or more nucleotides, or wherein the sequence length of the loop structure is selected from a range of 25 to 60 nucleotides.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können noch eine oder mehrere weitere Sonden zum Einsatz kommen, die markiert oder unmarkiert sein könnnen und die zumindest teilweise innerhalb der Loop-Sequenz der gebildeten Haarnadelstruktur 2 an den Strang des verlängerten Primers 3 spezifisch binden könnnen. Solche weiteren Sonden können vor, während oder nach dem Einsatz der mit Fluorophor 2 markierten Sonde 2 mit dem verlängerten Primer 3 hybridisiert werden. Dabei ist die Sequenz der mindestens einen weiteren Sonde so gewählt, dass bei erfolgter Hybridisierung dieser weiteren Sonde an den verlängerten Primer 3, die Harrnadelstruktur so verändert wird, dass zwischen Fluorophor 1 und Fluorophor 2 kein FRET mehr stattfinden kann. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn die Haarnadelstruktur durch die Bindung der mindestens einen weiteren Sonde destabilisiert wird oder die Harrnadelstruktur sogar aufgelöst wird. Die Destabilisierung der Haarnadel bzw. die Auflösung der Haarnadel kann dadurch erreicht werden, dass die spezifische Bbindungssequenz der mindestens einen weiteren Sonde mindestens teilweise mit der Stammregion der Haarnadel überlappt.In the method according to the invention, one or more further probes may be used which may be labeled or unlabeled and which may bind specifically to the strand of the extended primer 3 at least partially within the loop sequence of the hairpin structure 2 formed. Such additional probes may be hybridized with the extended primer 3 before, during, or after use of the fluorophor 2 labeled probe 2. In this case, the sequence of the at least one further probe is chosen so that when hybridization of this further probe to the extended primer 3, the Harrnadelstruktur is changed so that no more FRET can take place between fluorophore 1 and 2 fluorophore. This is e.g. then the case when the hairpin structure is destabilized by the binding of the at least one further probe or the Harrnadelstruktur is even dissolved. The destabilization of the hairpin or the dissolution of the hairpin can be achieved by overlapping the specific binding sequence of the at least one further probe at least partially with the stem region of the hairpin.
Daneben kann in Haarnadel 1 oder 2 eine bevorzugt am 3'-Ende blockierte oder am 3'- Ende nicht komplementäre Sonde (Blockadesonde), die bevorzugt keinen Fluoreszenzfarbstoff trägt, hybridisieren und zur Auflösung der Haarnadel und Aufhebung des für einen FRET erforderlichen Abstandes zwischen Fluorophor 1 und 2 beitragen. Alternativ oder in Kombination zu dieser Sonde können Teilsequenzen ko-amplifizierter Targetsequenzen wie z.B. Pathogensequenzen oder interne Standards in Haarnadel 1 oder 2 hybridisieren. Durch differentielle Hybridisierung z.B. während der Aufzeichnung von Schmelzkurven ist es möglich, Sequenzpolymorphismen unter Verwendung einer mindestens einen weiteren Sonde, bevorzugt mindestens einer nicht markierten Blockadesonde oder ko-amplifizierter Targetsequenzen über weite Sequenzbereiche der Haarnadel zu identifizieren.In addition, in hairpin 1 or 2, a preferably at the 3'-end blocked or at the 3'-end non-complementary probe (blocking probe), which preferably carries no fluorescent dye, hybridize and to dissolve the hairpin and cancel the required for a FRET distance between fluorophore 1 and 2 contribute. Alternatively or in combination with this probe, partial sequences of co-amplified target sequences such as pathogen sequences or internal standards can hybridize in hairpin 1 or 2. By differential hybridization, for example during the recording of melting curves, it is possible to identify sequence polymorphisms using at least one further probe, preferably at least one unlabeled blocking probe or co-amplified target sequences over wide sequence ranges of the hairpin.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die drei Primer und zwei Sonden verwendet werden, die jeweils FRET-Donor und -Akzeptor (Fluorophor 1 und 2) tragen, wobei die eingesetzte Sonde 1 Primer-1 -spezifisch ist und die verwendete Sonde 2 Target-spezifisch.In a further embodiment of the invention, the three primers and two probes can be used, each carrying FRET donor and acceptor (fluorophore 1 and 2), wherein the inserted probe 1 is primer-1 specific and the probe used is 2 target specific.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Fluorophore 1 und 2 sind ausgewählt ausThe fluorophores 1 and 2 used according to the invention are selected from
Fluoreszenzfarbstoffmolekülen, wobei das Licht, das vom ersten Fluorophor absorbiert und remittiert wird, vom zweiten, nach Bindung der Sonde(n) dem ersten Fluorophor räumlich nahen zweiten Fluorophor erneut absorbiert und remittiert wird. Vorzugsweise dienen verschiedene Fluorophore als Donor und Akzeptor, so dass ein FRET-Signal alsFluorescent dye molecules, wherein the light which is absorbed and remitted by the first fluorophore is reabsorbed and remitted by the second second fluorophore spatially close to the first fluorophore after binding of the probe (s) to the first fluorophore. Preferably, various fluorophores serve as donor and acceptor, so that a FRET signal as
Auftreten Donor-stimulierter Fluoreszenz des Akzeptors aufgezeichnet werden kann.Occurrence of donor-stimulated fluorescence of the acceptor can be recorded.
Alternativ kann auch derselbe Farbstoff als Donor und Akzeptor eingesetzt werden und die resultierende Depolarisation der Fluoreszenz detektiert werden. Die Farbstoffe können auch so ausgewählt werden, daß bei Kontakt ein strahlungsloser Energietransfer stattfindet. Bevorzugt ist Fluorophor 1 Fluorescein und Fluorophor 2 LC Red 640 oder LCAlternatively, the same dye can be used as donor and acceptor and the resulting depolarization of the fluorescence can be detected. The dyes may also be selected so that upon contact a non-radiative energy transfer takes place. Fluorophore 1 is preferably fluorescein and fluorophore 2 LC Red 640 or LC
Red 705 Beispiele für weitere bevorzugte FRET-Paare sind:Red 705 Examples of further preferred FRET pairs are:
Fluorophor A FRET-Partner BFluorophore A FRET partner B
Aminocumarin Fluorescein Fluorescein Rhodamin oder TetramethylrhodaminAminocoumarin fluorescein fluorescein rhodamine or tetramethylrhodamine
Fluorescein Cy3Fluorescein Cy3
Cy3 Cy5Cy3 Cy5
Cy3 TetramethylrhodaminCy3 tetramethylrhodamine
Europium Cy5 Terbium RhodaminEuropium Cy5 terbium rhodamine
Bodipy BodipyBodipy Bodipy
Dansyl FluoresceinDansyl fluorescein
Naphtalen DansylNaphtalene Dansyl
Ruthenium Cy5.Ruthenium Cy5.
Wie bereits ausgeführt, kann erfindungsgemäß Fluorophor 1 an einem Primer undAs already stated, according to the invention fluorophore 1 on a primer and
Fluorophor 2 an der Sonde vorliegen bzw. umgekehrt. Das FRET-Paar kann auch anFluorophore 2 are present on the probe or vice versa. The FRET pair also can
Sonden gebunden vorliegen. Die erfindungsgemäß eingesetzen FRET-Paare erzielen einen hohen Multiplex-Grad. Es sind für das erfindungsgemäße Verfahren zahlreiche Fluorophore für den Spektralbereich von 350 bis 750 nm, das heißt von Ultraviolett bis Infrarot, verfügbar.Probes bound. The FRET pairs used according to the invention achieve a high degree of multiplexing. Numerous fluorophores for the spectral range from 350 to 750 nm, that is from ultraviolet to infrared, are available for the process according to the invention.
Die Amplifikationsreaktion ist vorzugsweise eine homogene Flüssigphasen-PCR, eine Multiplex-PCR, eine asymmetrische PCR, eine Festphasen-PCR, eine RT-PCR, eine in situ-PCR, eine immuno-PCR oder eine nested PCR.The amplification reaction is preferably a homogeneous liquid-phase PCR, a multiplex PCR, an asymmetric PCR, a solid-phase PCR, an RT-PCR, an in situ PCR, an immuno-PCR or a nested PCR.
Das Verfahren zum Echtzeit-Nachweis von Nukleinsäuretargets als Produkt einer Nukleinsäure-Amplifikationsreaktion mittels der neuartigen Primer-/Sondensysteme zum Nachweis von Nukleinsäuren umfasst (siehe Beispiel 1 ): a) Einsatz von mindestens einem Primer, der mindestens eine für die zu amplifizierende Nukleinsäure targetspezifische Sequenz (TSS) sowie eine Haarnadelbildungssequenz (HBS) umfasst und der am 3'-Ende eine enzymatische Verlängerung komplementär zum Target gestattet und dieThe method for real-time detection of nucleic acid targets as a product of a nucleic acid amplification reaction by means of the novel primer / probe systems for the detection of nucleic acids comprises (see Example 1): a) Use of at least one primer containing at least one target-specific sequence for the nucleic acid to be amplified (TSS) and a hairpin sequence (HBS) and which at the 3 'end allows an enzymatic extension complementary to the target and the
Einführung eines Fluorophores 1 durch kovalente Bindung oder durch Bindung einer Sonde 1 vermittelt, b) Enzymatische Verlängerung des Primers am 3'-Ende, c) Ausbildung von mindestens einer intramolekularen Haarnadel durch Hybridisierung der HBS mit dem verlängerten Primer, wodurch FluorophorB) enzymatic extension of the primer at the 3'-end, c) formation of at least one intramolecular hairpin by hybridization of the HBS with the extended primer, whereby fluorophore
1 in räumliche Nähe zur Bindungsstelle von Sonde 2 gebracht wird, d) Einsatz von mindestens einer Sonde 2, die mindestens am 3'-Ende ein Fluorophor 2 trägt, wobei die mindestens eine Sonde 2 mit dem am 3'- Ende verlängerten Primer hybridisiert, e) Anregung eines der beiden Fluorophore durch Licht geeigneterD) use of at least one probe 2 carrying a fluorophore 2 at least at the 3 'end, said at least one probe 2 hybridizing with the primer extended at the 3' end, e) excitation of one of the two fluorophores by light suitable
Wellenlänge, so dass zwischen den Fluorophoren 1 und 2 ein Fluoreszenzresonanzenergietransfer stattfindet f) Fluoreszenzoptische Detektion der Fluoreszenz.Wavelength so that a fluorescence resonance energy transfer takes place between the fluorophores 1 and 2 f) fluorescence optical detection of the fluorescence.
Vorzugsweise kommen für die verschiedenen Amplikons oder Polymorphismen unterschiedliche FRET-Paare zum Einsatz.Preferably, different FRET pairs are used for the different amplicons or polymorphisms.
Ein bevorzugtes Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Primer-/Sondensysteme umfasst : a) Einsatz von mindestens einem Primer, der mindestens eine für die zu amplifizierende Nukleinsäure targetspezifische Sequenz (TSS) sowie eine Haarnadelbildungssequenz (HBS) umfasst und der am 3'-Ende eine enzymatische Verlängerung komplementär zum Target gestattet und die Einführung eines Fluorophores 1 durch kovalente Bindung oder durch Bindung einer Sonde 1 vermittelt, b) Enzymatische Verlängerung des Primers am 3'-Ende, c) Einsatz von mindestens einer Sonde 2, die mindestens am 3'-EndeA preferred method by means of the primer / probe systems according to the invention comprises: a) Use of at least one primer which comprises at least one target specific sequence (TSS) and a hairpin formation sequence (HBS) for the nucleic acid to be amplified, and at the 3 'end allows enzymatic extension complementary to the target and mediates the introduction of a fluorophore 1 by covalent bonding or by binding a probe 1, b) enzymatic extension of the primer at the 3 'end, c) use of at least one probe 2, which is at least 3' -The End
Targetsequenz-unspezifisch ist und ein Fluorophor 2 trägt, wobei die mindestens eine Sonde 2 mit dem am 3'-Ende verlängerten Primer hybridisiert, d) Ausbildung von mindestens einer intramolekularen Haarnadel durch Hybridisierung der HBS mit dem 3'-Ende der am verlängerten Primer hybridisierten Sonde 2, wodurch Fluorophor 1 in räumliche Nähe zum Fluorophor 2 von Sonde 2 gebracht wird, e) Anregung eines der beiden Fluorophore durch Licht geeigneter Wellenlänge, so dass zwischen den Fluorophoren 1 und 2 ein Fluoreszenzresonanzenergietransfer stattfindet f) Fluoreszenzoptische Detektion der Fluoreszenz.Target sequence is nonspecific and carries a fluorophore 2, wherein the at least one probe 2 hybridizes with the primer extended at the 3 'end, d) formation of at least one intramolecular hairpin by hybridization of the HBS to the 3' end of the hybridized to the extended primer Probe 2, whereby fluorophore 1 is brought in close proximity to the fluorophore 2 of probe 2, e) excitation of one of the two fluorophores by light of suitable wavelength so that a fluorescence resonance energy transfer takes place between the fluorophores 1 and 2. f) fluorescence optical detection of the fluorescence.
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Primer- /Sondensysteme umfasst: a) Einsatz von mindestens einem Primer, der mindestens eine für die zu amplifizierende Nukleinsäure targetspezifische Sequenz (TSS) sowie eine Haarnadelbildungssequenz (HBS) umfasst und der am 3'-Ende eine enzymatische Verlängerung komplementär zum Target gestattet und die Einführung eines Fluorophores 1 durch kovalente Bindung oder durch Bindung einer Sonde 1 vermittelt, b) Enzymatische Verlängerung des Primers am 3'-Ende, c) Ausbildung von mindestens einer intramolekularen Haarnadel durch Hybridisierung der HBS mit dem verlängerten Primer, wodurch Fluorophor 1 in räumliche Nähe zur Bindungsstelle von Sonde 2 gebracht wird, d) Bindung einer Blockadesonde in Abhängigkeit der Sequenz der Haarnadel e) Einsatz von mindestens einer Sonde 2, die mindestens am 3'-Ende ein Fluorophor 2 trägt, wobei die mindestens eine Sonde mit dem am 3'-Ende verlängerten Primer hybridisiert, f) Anregung eines der beiden Fluorophore durch Licht geeigneter Wellenlänge, so dass zwischen den Fluorophoren 1 und 2 einA further preferred method by means of the primer / probe systems according to the invention comprises: a) use of at least one primer which comprises at least one target specific sequence (TSS) and a hairpin formation sequence (HBS) for the nucleic acid to be amplified, and an enzymatic at the 3 'end Extension allowed complementary to the target and mediates the introduction of a fluorophore 1 by covalent bonding or by binding a probe 1, b) enzymatic extension of the primer at the 3 'end, c) formation of at least one intramolecular hairpin by hybridization of the HBS with the extended primer d) binding of a blocking probe depending on the sequence of the hairpin e) use of at least one probe 2, which carries a fluorophore 2 at least at the 3 'end, wherein the at least a probe hybridizes to the primer extended at the 3'-end, f) prim One of the two fluorophores by light of appropriate wavelength, so that between the fluorophores 1 and 2 a
Fluoreszenzresonanzenergietransfer stattfindet g) Fluoreszenzoptische Detektion der Fluoreszenz. Ist die Schmelztemperatur der Blockadesonde von der Haarnadelsequenz geringer als die Schmeltztemperatur der Haarnadel selbst, führt die Bindung der Blockadesonde zur Öffnung der Haarnadel bereits unterhalb der Schmelztemperatur der Haarnadel. Die Hybridisierungseigenschaften und somit die Eigenschaften der Haarnadelsequenz, insbesondere das Vorkommen von Polymorphismen in derFluorescence resonance energy transfer takes place g) Fluorescence optical detection of the fluorescence. If the melting temperature of the blocking probe of the hairpin sequence is lower than the melting temperature of the hairpin itself, the binding of the blocking probe leads to the opening of the hairpin already below the melting point of the hairpin. The hybridization properties and thus the properties of the hairpin sequence, in particular the occurrence of polymorphisms in the
Haarnadel, lassen sich durch die Aufzeichnung einer Schmelzkurve detektieren.Hairpin, can be detected by recording a melting curve.
Ein bevorzugtes Primer-/Sondensystem umfasst : a) drei Primer, wobei - ein Primerpaar 1 und 2 als Vorwärts- und Rückwärtsprimer fungieren und Primer 1 mindestens zwei für das nachzuweisende Nukleinsäuretarget spezifische Sequenzen (TSS 1 und HBS) umfasst und beide eine enzymatische Verlängerung gestatten, und einen Primer 3, der mit dem 5'-Bereich von Primer 1 teilweise oder vollständig identisch ist, ebenfalls enzymatisch verlängerbar ist undA preferred primer / probe system comprises: a) three primers, wherein - a primer pair 1 and 2 function as forward and reverse primers and primer 1 comprises at least two sequences specific to the nucleic acid target to be detected (TSS 1 and HBS) and both allow enzymatic extension , and a primer 3 which is partially or completely identical to the 5 'region of primer 1, is also enzymatically extendible, and
Fluorophor 1 trägt, wobei er so konstruiert ist, dass er eine Haarnadel 1 vollständig oder partiell mit sich selbst oder mit komplementären Abschnitten der Primer 1 -Sequenz bilden kann, b) eine Sonde, die am 3'-Ende Fluorophor 2 trägt und die vollständig für die Targetsequenz spezifisch ist, oder die für die Targetsequenz und Primer 1 spezifisch ist.Fluorophore 1, designed to be able to form a hairpin 1 wholly or partially with itself or with complementary portions of the primer 1 sequence, b) a probe bearing fluorophore 2 at the 3 'end and complete is specific for the target sequence, or specific for the target sequence and primer 1.
Gegenstand der Erfindung kann auch ein Primer-/Sondensystem sein, das umfasst: a) drei Primer, wobei - ein Primerpaar 1 und 2 als Vorwärts- und Rückwärtsprimer fungieren und wobei Primer 1 mindestens zwei für das nachzuweisende Nukleinsäuretarget spezifische Sequenzen (TSS) umfasst und beide eine enzymatische Verlängerung gestatten, undThe invention may also be a primer / probe system comprising: a) three primers, wherein - a pair of primers 1 and 2 act as forward and reverse primers and wherein primer 1 comprises at least two sequences specific to the nucleic acid target to be detected (TSS) and both allow enzymatic extension, and
- Primer 3, der mit dem 5'-Bereich von Primer 1 teilweise oder vollständig identisch ist und ebenfalls enzymatisch verlängerbar ist, b) zwei Sonden, die jeweils Fluorophor 1 und 2 tragen und die vollständig für die Targetsequenz spezifisch sind, oder die für die Targetsequenz und Primer 1 spezifisch sind.- Primer 3, which is partially or completely identical to the 5 'region of primer 1 and is also enzymatically extendable, b) two probes each carrying fluorophore 1 and 2 and which are completely specific for the target sequence, or for the Target sequence and primer 1 are specific.
Gegenstand der Erfindung kann auch ein Primer-/Sondensystem sein, das umfasst : a) drei Primer, wobeiThe invention may also be a primer / probe system comprising: a) three primers, wherein
- ein Primerpaar 1 und 2 als Vorwärts- und Rückwärtsprimer fungieren und wobei Primer 1 mindestens zwei für das nachzuweisende Nukleinsäuretarget spezifische Sequenzen (TSS) umfasst und beide eine enzymatische Verlängerung gestatten, und - Primer 3, der mit dem 5'-Bereich von Primer 1 teilweise oder vollständig identisch ist und ebenfalls enzymatisch verlängerbar ist, b) zwei Sonden, die jeweils Fluorophor 1 und 2 tragen und die vollständig für die Targetsequenz spezifisch sind, oder die für die Targetsequenz und Primer 1 spezifisch sind. c) eine Sonde, die vollständig oder teilweise in einer Haarnadel 2 einer oder mehrerer Targetsequenzen bindet und am 3'-Ende so modifiziert wurde, daß sie enzymatisch nicht verlängert werden kann.a primer pair 1 and 2 function as forward and reverse primers and primer 1 at least two for the Nucleic acid target specific sequences (TSS) to be detected and both allow enzymatic extension, and - primer 3 which is partially or completely identical to the 5 'region of primer 1 and which is also enzymatically extendable, b) two probes, each containing fluorophore 1 and 2 which are completely specific for the target sequence or specific for the target sequence and primer 1. c) a probe that binds wholly or partially in a hairpin 2 of one or more target sequences and has been modified at the 3 'end so that it can not be extended enzymatically.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Reagenzienkit zum Nachweis von Nukleinsäuren umfassend - mindestens ein neuartiges Primer-/Sondensystem, geeignete Puffer und ggf. weitere Hilfsstoffe.The invention also provides a reagent kit for detecting nucleic acids comprising - at least one novel primer / probe system, suitable buffers and, if appropriate, further auxiliaries.
Puffer und Hilfsstoffe sind dem Fachmann bekannt. Sie umfassen vorzugsweise thermostabile Polymerase, dNTP-Mix, PCR-Puffer und ggf. MgCI2.Buffers and auxiliaries are known to the person skilled in the art. They preferably comprise thermostable polymerase, dNTP mix, PCR buffer and optionally MgCl 2 .
Bei der technischen Realisierung von Nukleinsäureassays für Routine-Untersuchungen sind insbesondere von Bedeutung, der homogene Assay, das Multiplex-Verfahren und die so genannten Mikroarrays (auch Gen- oder Biochips genannt). In einer erfindungsgemäßen Multiplex-PCR mit dem Primer-/Sondensystem bzw. dem Kit lassen sich mit dem oben beschriebenen Verfahren mehrere Primersätze kombinieren, die aufgrund unterschiedlicher Targetbindungssequenzen (TSS) oder HBS die Detektion mehrerer Zielsequenzen in einem Reaktionsansatz erlauben. Qualitative Messungen erfolgen, indem nach einer vorher definierten Anzahl von Amplifikationszyklen geprüft wird, ob die Konzentration der gebildeten Nukleinsäuremoleküle einen bestimmten Schwellwert übersteigt. Für eine Quantifizierung wird diese Konzentration nach jedem Zyklus erfasst und die Anzahl der Zyklen bis zum Erreichen eines bestimmten Schwellwertes bestimmt. Diese Anzahl ist ein Maß für die Konzentration der gesuchten Nukleinsäure in einer Probe.In the technical realization of nucleic acid assays for routine examinations are of particular importance, the homogeneous assay, the multiplex method and the so-called microarrays (also called gene or biochips). In a multiplex PCR according to the invention with the primer / probe system or the kit, a plurality of primer sets can be combined with the method described above, which allow the detection of several target sequences in one reaction batch on the basis of different target binding sequences (TSS) or HBS. Qualitative measurements are carried out by checking after a predefined number of amplification cycles whether the concentration of the nucleic acid molecules formed exceeds a certain threshold value. For quantification, this concentration is detected after each cycle and the number of cycles is determined until a certain threshold is reached. This number is a measure of the concentration of the desired nucleic acid in a sample.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens können zur gleichzeitigen Unterscheidung von mehreren Targetsequenzen die Targetsequenzen im Sondenbindungsbereich, im Primerbindungsbereich oder im Stamm der Haarnadel(n) vorzugsweise durch Schmelzkurvenanalyse unterschieden werden. Darüber hinaus können zur gleichzeitigen Unterscheidung von mehreren Targetsequenzen mehrere Primer-/Sondensysteme eingesetzt werden, die sich mindestens teilweise oder vollständig in den targetsequenzspezifischen Abschnitten und den Emissionswellenlängen der emittierenden Fluorophore unterscheiden, so dass diese durch Mehrfarbenfluoreszenzdetektion differentiell erfasst werden können.With the aid of the system and method according to the invention, the target sequences in the probe binding region, in the primer binding region or in the stem of the hairpin (s) can preferably be distinguished by melting curve analysis for the simultaneous differentiation of a plurality of target sequences. In addition, for simultaneous discrimination of multiple target sequences, multiple primer / probe systems can be employed which differ at least partially or completely in the target sequence specific sections and emission wavelengths of the emitting fluorophores so that they can be differentially detected by multicolor fluorescence detection.
Weiterhin können zum Nachweis von mehreren Targetsequenzen mittels allelspezifischer PCR die targetspezifischen Primer sich im 3'-Bereich unterscheiden und dadurch vollständig oder unvollständig komplementär mit der Targetsequenz in der jeweiligen Probe sein, wodurch sie detektiert oder nicht detektiert werden.Furthermore, to detect multiple target sequences using allele-specific PCR, the target-specific primers can differ in the 3 'region and thereby be completely or incompletely complementary to the target sequence in the respective sample, as a result of which they are detected or not detected.
Weiterhin können zum gleichzeitigen Nachweis von mehreren Targetsequenzen unterschiedliche Detektionssysteme eingesetzt werden, wobei die einzusetzenden targetspezifischen Primer Längenpolymorphismen und Fluoreszenzmarkierungen enthalten können.Furthermore, different detection systems can be used for the simultaneous detection of multiple target sequences, wherein the target-specific primers to be used can contain length polymorphisms and fluorescent labels.
Darüber hinaus können die Targetsequenzen durch Echtzeitfluoreszenzanalyse, durch Elektrophorese oder durch Hybridisierung ohne Amplifikation der Targetsequenz, durch Hybridisierung nach der Amplifikation der Targetsequenz oder durch Hybridisierung während der Amplifikation der Targetsequenz in Lösung oder an einer festen Phase erfasst werden. Als bevorzugte feste Phasen kommen fluoreszenzkodierte Beadarrays und ortskodierte Biochips zum Einsatz.In addition, the target sequences can be detected by real-time fluorescence analysis, by electrophoresis or by hybridization without amplification of the target sequence, by hybridization after amplification of the target sequence or by hybridization during amplification of the target sequence in solution or on a solid phase. Fluorescence-encoded bead arrays and spatially encoded biochips are used as preferred solid phases.
Ihre weite Verbreitung verdankt die Real-Time-PCR zwei Eigenschaften, die im Laboralltag nur selten gut zusammenpassen: sie ist schnell und gleichzeitig präzise. Länger als zwei Stunden benötigt kaum ein Real-Time-Cycler, um winzigste DNA-Mengen zu vervielfältigen und zu quantifizieren. Das Ganze funktioniert auch im Hochdurchsatz. Bis zu 384 PCR-Reaktionen gleichzeitig können Geräte durchführen, deren Cyclerblöcke sich mit entsprechenden Mikrotiterplatten bestücken lassen.Real-time PCR owes its wide distribution to two properties that rarely fit together well in the lab routine: it is fast and at the same time precise. It takes less than two hours for a real-time cycler to duplicate and quantify the tiniest amounts of DNA. The whole thing works in high throughput. Up to 384 PCR reactions can simultaneously be performed by devices whose cycler blocks can be equipped with appropriate microtiter plates.
Real-Time-Cycler sind zahlreich bekannt. Sie ermöglichen eine Detektion von bis vorzugsweise zu fünf Fluoreszenzfarbstoffen gleichzeitig für Multiplex Anwendungen, besitzen Heizblöcke vorzugsweise im Viererpack für 96er oder 384er-Well Mikrotiterplatten, zeigen schnelle Heiz-/Kühlraten die z.B. 30 PCR-Zyklen in 30 Minuten möglich machen, Quantifizierungssoftware, Schmelzpunktanalyse und vieles mehr. Das erfindungsgemäße System und Verfahren ist auch für Hochdurchsatzlabore geeignet, die ganze Berge von Proben abarbeiten müssen, wodurch bis zu 5000 Analysen pro Tag mit entsprechenden automatisierten Real-Time-PCR-Robotern der neuesten Generation möglich sind. Falls kein Wert auf Real-Time-Quantifizierung gelegt wird und nur Interesse an der Endpunkt-PCR besteht, können bis zu 30.000 Proben in knapp 3 Stunden durch entsprechende PCR-Roboter bewältigt werden.Real-time cycler are well known. They allow for detection of up to preferably five fluorescent dyes simultaneously for multiplexing applications, have heating blocks preferably in a four-pack for 96 or 384 well microtiter plates, show fast heating / cooling rates which allow eg 30 PCR cycles in 30 minutes, quantification software, melting point analysis and much more. The system and method of the present invention is also suitable for high throughput laboratories that have to process entire piles of samples, yielding up to 5,000 analyzes per day with corresponding state-of-the-art automated real-time PCR robots possible are. If no value is placed on real-time quantification and there is only interest in the end-point PCR, up to 30,000 samples can be processed in just under 3 hours using appropriate PCR robots.
Mit dem erfindungsgemäßen System kann ein vorgefertigter Real-Time-PCR-Kit bereitgestellt werden, der alle nötigen Ingredenzien enthält. Damit ist das einzelne Pipettieren von Puffer, Nukleotidmix, Reportermolekülen, Polymerasen und Primern nicht notwendig. Für die Quantifizierung nutzt man bei diesem (klassischen) Verfahren der Real-Time-PCR die Schmelzpunktbestimmung der amplifizierten DNA und die Analyse des Schwellenwertes der Fluoreszenzintensität (CT).With the system according to the invention, a prefabricated real-time PCR kit can be provided which contains all the necessary ingredients. Thus, the individual pipetting of buffer, nucleotide mix, reporter molecules, polymerases and primers is not necessary. For quantification in this (classical) method of real-time PCR, the melting point determination of the amplified DNA and the analysis of the threshold value of the fluorescence intensity (CT) are used.
Erfindungsgemäß kann die Verwendung eines erfindungsgemäßen Primer- /Sondenystems in einer Vorrichtung erfolgen, welche die Sonden immobilisiert als Fangsonden umfasst, zur simultanen Detektion von Targetsequenzen während der Amplifikation der Targetsequenzen, wobei die zufällig oder systematisch in der Reaktionsumgebung verteilten Messpunkte, an die die Targetsequenzen über die immobilisierten Fangsonden hybridisieren, bildgebend fluoreszenzoptisch erfasst, dekodiert und vermessen werden und die Reaktionsumgebung thermozyklisch steuerbar ist, ggf. mittels Peltierelementen, Luftstrom, Wasserbad, Wärmestrahlung, Induktion oder Mikrowellen.According to the invention, the use of a primer / probe system according to the invention can be carried out in a device which comprises the probes immobilized as capture probes, for the simultaneous detection of target sequences during the amplification of the target sequences, wherein the randomly or systematically distributed in the reaction environment measuring points to which the target sequences the immobilized capture probes hybridize, imaging fluorescence optically detected, decoded and measured and the reaction environment is thermocyclically controlled, possibly by Peltier elements, air flow, water bath, heat radiation, induction or microwaves.
Die Durchführung von Real-time-Nachweisen kann unter Verwendung der erfindungsgemäßen Sondensysteme aber auch unter Verwendung von anderen Sondensystemen wie z.B. Molecular Beacon, FRET-Sonden, TaqMan, Scorpions, GenePins oder Amplifluor-Primern vorgenommen werden.The performance of real-time detection can be accomplished using the probe systems of the invention but also using other probe systems, e.g. Molecular Beacon, FRET probes, TaqMan, Scorpions, GenePins or Amplifluor primers.
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:Advantages of the method according to the invention are:
Ein Primer, der universell für verschiedene Amplifikate eingesetzt werden kann trägt bereits ein Fluorophor. Dadurch können kostengünstig die Fluorophore der Sonden verschiedener Amplikons detektiert werdenA primer that can be used universally for different amplificates already carries a fluorophore. As a result, the fluorophores of the probes of different amplicons can be detected at low cost
(Beispiel 3).(Example 3).
Die farbstoffmarkierten Sonden und Primer müssen nicht polymorph sein, da die Polymorphismen über variierende Targetbindungssequenzen von unmarkiertem Primer 1 erfaßt werden können. Dadurch ist es möglich, die farbstoffmarkierten Sonden und Primer auf maximale Detektionssensitivität zu optimieren und die Spezifitätsbestimmung für die Identifizierung von Sequenzunterschieden auf die Optimierung nicht markierter Primer zu begrenzen (z.B. Primer 1 , Beispiel 3), was den Kostenaufwand bei derThe dye-labeled probes and primers need not be polymorphic, since the polymorphisms can be detected by varying target binding sequences of unlabelled primer 1. This makes it possible to optimize the dye-labeled probes and primers for maximum detection sensitivity and to determine the specificity for the identification of sequence differences on the optimization of unlabeled primer limit (eg primer 1, Example 3), which is the cost of the
Optimierung der PCR-Systeme reduziert.Optimization of PCR systems reduced.
Polymorphe DNA-Abschitte können aber auch über preisgünstige unmarkierte Sonden nachgewiesen werden, die in Haarnadel 2 binden und ein sehr effizientes Öffnen von Haarnadel 2 bewirken, so daßHowever, polymorphic DNA cleavage can also be detected via inexpensive unlabelled probes which bind in hairpin 2 and cause a very efficient opening of hairpin 2, so that
Polymorphismen über Schmelzkurvenverläufe sehr spezifisch und damit sicher nachgewiesen werden können.Polymorphisms can be detected very specifically and thus reliably via melting curve courses.
Unterschiedliche Amplikons können über preisgünstige, unmarkierteDifferent amplicons can be obtained via inexpensive, unmarked
Sonden nachgewiesen werden, die in Haarnadel 1 binden und ein sehr effizientes Öffnen von Haarnadel 1 bewirken, so daß unterschiedlicheProbes are detected, which bind in hairpin 1 and cause a very efficient opening of hairpin 1, so that different
Amplikons sehr spezifisch und damit sicher nachgewiesen werden können.Amplikons very specific and thus can be detected safely.
Durch sehr große Haarnadeln 2 wird die Methode sehr variabel einsetzbar, da die Sondenbindungsstellen am Target in optimale Bindungsbereiche gelegt werden können. - Durch sehr große Haarnadeln 2 wird die Methode sehr variabel einsetzbar, da durch den Einsatz mehrerer Blockadesonden große Sequenzbereiche auf Sequenzveränderungen untersucht werden können, ohne daß man zusätzliche, markierte Sonden benötigt.By very large hairpins 2, the method is very variable because the probe binding sites can be placed on the target in optimal binding areas. - By very large hairpins 2, the method is very variable, since the use of multiple blocking probes large sequence areas can be examined for sequence changes, without the need for additional, labeled probes.
Durch den Einsatz mehrerer Blockadesonden, können auf einfache Weise größere Sequenzbereiche innerhalb der Haarnadel auf Polymorphismen untersucht werden.Through the use of multiple blockade probes, larger sequence regions within the hairpin can be easily examined for polymorphisms.
Da ein Fluoreszenzfarbstoff über einen Primer kovalent an das Amplifikat gebunden wird und somit nur eine Sonde eingesetzt werden muß, können höhere Empfindlichkeiten erzielt werden, können über einen größeren Temperaturbereich stabilere Messwerte erzielt werden, was das System robuster als das klassische Zwei-Sonden-System macht.Since a fluorescent dye is covalently bound to the amplificate via a primer and thus only one probe must be used, higher sensitivities can be achieved, more stable readings can be obtained over a wider temperature range, making the system more robust than the classic two-probe system ,
Die Erfindung ist schematisch in den Fig. 1 bis 5 dargestellt.The invention is shown schematically in FIGS. 1 to 5.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei sie nicht darauf beschränkt werden soll.The invention will be explained in more detail with reference to drawings and exemplary embodiments, wherein it should not be limited thereto.
Fig. 1 - schematische Darstellung des Einsatzes des Primer-/Sondensystems unter Verwendung eines Primers und einer Sonde zur Detektion eines Target- PolymorphismusFig. 1 - schematic representation of the use of the primer / probe system using a primer and a probe for the detection of a target polymorphism
Primer 1 trägt ein kovalent am 5'-Ende gebundenes Fluorophor 1 sowie eine Targetbindungssequenz 1 und eine Haarnadelbildungssequenz, wobei die Haarnadelbildungssequenz zur Polymorphismuserfassung dient. Primer 1 bindet mit der Targetbindungssequenz 1 seines 3'-Endes an die Targetsequenz in einer 1. Position und wird durch eine DNS-Polymerase unter geeigneten Bedingungen komplementär verlängert. Nach Denaturierung des Doppelstranges bildet das 5'-Ende von Primer 1 über die Haarnadelbildungssequenz (HBS) eine Haarnadel mit der Targetsequenz 2 des Gens, die den Polymorphismus umfasst. Außerdem bindet die Sonde, die Fluorophor 2 am 3'- Ende trägt, an den komplementär zum Target verlängerten Primer unmittelbar anschließend an die gebildete Haarnadel. Durch Bestrahlung des Reaktionsgemisches wird mit Licht definierter Wellenlänge ein von Fluorophor 1 vermittelter FRET ausgelöst und eine Emission von Fluorophor 2 gemessen. Diese Emission korreliert mit der im Reaktionsgemisch befindlichen Menge an Template, die den Polymorphismus umfasst. Zur besseren Unterscheidung von Targetsequenzen mit Polymorphismus und von Targetsequenzen ohne, die sich nur geringfügig in ihrer Targetsequenz 2 unterscheiden wird eine Schmelzkurve erstellt. Sind beide Targetsequenzen im Reaktionsgemisch enthalten, resultieren zwei Peaks in der Darstellung der Schmelzkurve.Primer 1 carries a covalently attached 5'-end fluorophore 1 and a target binding sequence 1 and a hairpin sequence, wherein the Hairpin sequence for polymorphism detection. Primer 1 binds with the target binding sequence 1 of its 3 'end to the target sequence in a 1st position and is complementarily extended by a DNA polymerase under suitable conditions. After denaturation of the double strand, the 5 'end of primer 1 via the hairpin sequence (HBS) forms a hairpin with the target sequence 2 of the gene comprising the polymorphism. In addition, the probe, which carries fluorophore 2 at the 3 'end, binds to the complementary to the target-extended primer immediately following the hairpin formed. By irradiation of the reaction mixture, a fluorescence-mediated FRET is triggered with light of defined wavelength and an emission of fluorophore 2 is measured. This emission correlates with the amount of template in the reaction mixture which comprises the polymorphism. To better distinguish target sequences with polymorphism and target sequences without, which differ only slightly in their target sequence 2, a melting curve is created. If both target sequences are contained in the reaction mixture, two peaks result in the representation of the melting curve.
Fig. 2: Nachweis eines Faktor 2-PolymorphismusFig. 2: Detection of a factor 2 polymorphism
Ein Fragment des Faktor 2-Gens wird zwischen Primer 1 und Primer 2 amplifiziert, wobei Primer 1 an seinem 5'-Targetsequenz-unspezifischen Ende ein Fluorophor 2 trägt, welches komplementär zum 3'-Targetsequenz-unspezifischen Ende der Sonde ist. Das 3'- Ende der Sonde trägt Fluorophor 1. Sobald die Sonde an den komplementär zum Target verlängerten Primer 1 bindet, hybridisieren die Targetsequenz-unspezifischen Enden von Primer und Sonde wobei Fluorophor 1 und 2 in räumliche Nähe kommen, so dass FRET stattfindet. Zur Identifizierung von Polymorphismen im Sondenbindungsbereich wird eine Schmelzkurve erzeugt. Es ist aber genauso möglich, zusätzlich eine Sonde 2 einzusetzen, die in den Loop-Bereich hybridisiert und dadurch die Bildung des Loops und damit FRET verhindert (nicht dargestellt). Polymorphismen im Bindungsbereich von Sonde 2 können durch Aufzeichnung der Schmelzkurve von Sonde 2 identifiziert werden.A fragment of the factor 2 gene is amplified between primer 1 and primer 2, where primer 1 carries at its 5 'target sequence unspecific end a fluorophore 2 which is complementary to the 3' target sequence unspecific end of the probe. The 3 'end of the probe carries fluorophore 1. As soon as the probe binds to primer 1, which is complementary to the target, the target sequence unspecific ends of the primer and probe hybridize, with fluorophore 1 and 2 coming into close proximity to form FRET. A melting curve is generated to identify polymorphisms in the probe binding region. But it is equally possible to additionally use a probe 2, which hybridizes in the loop area and thereby prevents the formation of the loop and thus FRET (not shown). Polymorphisms in the binding region of probe 2 can be identified by recording the melting curve of probe 2.
Fig. 3: Schematische Darstellung eines Nachweises eines Targetsequenz- PolymorphismusFig. 3: Schematic representation of a detection of a target sequence polymorphism
Ein Teil einer Nukleotidsequenz wird zwischen Primer 1 und Primer 2 amplifiziert. Primer 2 ist am 5'-Ende targetsequenzunspezifisch, d.h., ein Teil des Oligonukleotides bindet nicht an das Target. Dieser Teil beinhaltet einen Sequenzabschnitt der komplementär zu einem Sequenzabschnitt weiter in 3'-Richtung auf dem Target ist und mit diesem nach Amplifikation zu einer Haarnadel hybridisieren kann. Weiter in 5'-Richtung auf Primer 2 liegt ein Sequenzabschnitt, der eine Hybridisierungsmöglichkeit für eine Sonde 2 in das Amplifikat einführt. Sonde 1 ist komplementär zum komplementär zum Target verlängerten Primer 2. Nach Hybridisierung zur Haarnadel kommen die Fluorophore der Sonden 1 und 2 so in räumliche Nähe, daß FRET stattfinden kann. Eine Hybridisierung zur Haarnadel wird jedoch in niedrigen Temperaturbereichen verhindert, da dann Sonde 3 in die Haarnadelstruktur binden kann und die Haarnadel nicht geschlossen wird. Die Dehybridisierungstemperatur von Sonde 3 ist abhängig vom Vorkommen des Polymorphismus in der Haarnadel. Durch die Aufnahme einer Schmelzkurve kann der in der Haarnadel liegende Polymorphismus näher bestimmt werden. Es ist natürlich ebenso möglich, dass einer der beiden Fluorophore an Primer 1 gebunden vorliegt, wobei in diesem Fall auf die Primer-spezifische Sonde 2 und deren Bindungsbereich in Primer 2 verzichtet werden kann (siehe Fig. 3b)Part of a nucleotide sequence is amplified between primer 1 and primer 2. Primer 2 is target sequence-unspecific at the 5 'end, ie, a portion of the oligonucleotide does not bind to the target. This part contains a sequence section which is complementary to a sequence section farther in the 3 'direction on the target and can hybridize with it after amplification to form a hairpin. Further in the 5 'direction on primer 2 is a sequence section which provides a possibility of hybridization for a probe 2 into the Introduces amplificate. Probe 1 is complementary to the primer 2 which is complementary to the target. After hybridization to the hairpin, the fluorophores of probes 1 and 2 come into close proximity so that FRET can take place. Hybridization to the hairpin, however, is prevented in low temperature ranges because then probe 3 can bind to the hairpin structure and the hairpin is not closed. The Dehybridisierungstemperatur of probe 3 is dependent on the occurrence of polymorphism in the hairpin. By recording a melting curve, the polymorphism in the hairpin can be determined more closely. It is of course also possible for one of the two fluorophores to be bound to primer 1, in which case the primer-specific probe 2 and its binding region in primer 2 can be dispensed with (see FIG. 3b).
Fig. 4: Schematische Darstellung der Charakterisierung von Nukleotidsequenzen durch Schmelzkurvenanalyse mit mehreren Blockadesonden Ein Teil einer Nukleotidsequenz wird zwischen Primer 1 und Primersonde 2 amplifiziert. Die Primersonde 2 ist am 5'-Ende targetsequenzunspezifisch, d.h., ein Teil des Oligonukleotides bindet nicht an das Target. Dieser Teil beinhaltet einen Sequenzabschnitt der komplementär zu einem Sequenzabschnitt weiter in 3'-Richtung auf dem Target ist und mit diesem nach Amplifikation zu einer Haarnadel hybridisieren kann. Weiter in 5'-Richtung auf der Primersonde liegt ein Sequenzabschnitt, der eine Hybridisierungsmöglichkeit für eine Sonde 2 in das Amplifikat einführt. Sonde 1 ist komplementär zu einem Abschnitt des Targets. Nach Hybridisierung zur Haarnadel kommen die Fluorophore der Sonden 1 und 2 so in räumliche Nähe, daß FRET stattfinden kann. Bei niedrigen Temperaturen können die Sonden 3 bis 6 in der Haarnadelstruktur hybridisieren und damit das Schließen der Haarnadel verhindern. Bei Temperaturerhöhung dehybridisieren die Sonden 3 bis 6 entsprechend ihrer spezifischen (unterschiedlichen) Schmelztemperaturen und es kommt zur Ausbildung einer charakteristischen Schmelzkurve. Liegt unter einer Sonde ein Polymorphismus vor, ändert sich das Schmelzkurvenbild typisch für diesen Fall.FIG. 4: Schematic representation of the characterization of nucleotide sequences by melting curve analysis with several blocking sense probes. Part of a nucleotide sequence is amplified between primer 1 and primer probe 2. The primer probe 2 is target-specific at the 5 'end, i.e., a portion of the oligonucleotide does not bind to the target. This part contains a sequence section which is complementary to a sequence section farther in the 3 'direction on the target and can hybridize with it after amplification to form a hairpin. Further in the 5 'direction on the primer probe is a sequence segment which introduces a hybridization opportunity for a probe 2 into the amplicon. Probe 1 is complementary to a portion of the target. After hybridization to the hairpin, the fluorophores of probes 1 and 2 come so close to each other that FRET can take place. At low temperatures, probes 3 through 6 may hybridize in the hairpin structure, preventing the hairpin from closing. When the temperature increases, the probes dehybridize 3 to 6 according to their specific (different) melting temperatures and there is the formation of a characteristic melting curve. If there is a polymorphism under a probe, the melting curve typically changes in this case.
Fig. 5 - schematische Darstellung des Einsatzes des Primer-/Sondensystems unter Verwendung dreier Primer und einer Sonde zum Real-time-Nachweis und zum elektrophoretischen Nachweis von Polymorphismen (A) Primer 1 umfasst zwei Targetbindungssequenzen 1 und 2 sowie ein 5'-Ende, welches der Sequenz von Primer 3 entspricht. Primer 1 bindet mit der Targetbindungssequenz 1 seines 3'-Endes an die Targetsequenz des zu detektierenden Gens und wird durch eine DNS-Polymerase unter geeigneten Bedingungen komplementär zum Target verlängert. Nach Denaturierung des Doppelstranges bindet Primer 2 an den verlängerten Primer 1 und wird komplementär dazu verlängert.5 is a schematic representation of the use of the primer / probe system using three primers and a probe for real-time detection and electrophoretic detection of polymorphisms. (A) Primer 1 comprises two target binding sequences 1 and 2 and a 5 'end, which corresponds to the sequence of primer 3. Primer 1 binds with the target binding sequence 1 of its 3 'end to the target sequence of the gene to be detected and is extended by a DNA polymerase under suitable conditions complementary to the target. After denaturation of the double strand primer 2 binds to the extended primer 1 and is complementarily extended.
(B) Der resultierende Doppelstrang wird denaturiert, so dass (C) Primer 3 mit Fluorophor 1 am 5'-Ende an das komplementäre Ende von Primer 1 bindet und verlängert wird. (D) Der resultierende Doppelstrang wird denaturiert, so dass bei der Rehybridisierung sich eine Haarnadel 1 zwischen Targetbindungssequenz 2 und Targetsequenz 2 ausbildet. Außerdem bildet sich zwischen dem 5'-Ende der Primer 3-Sequenz und Primer 1 eine Haarnadel 2 aus. Die Sonde, die eine Markierung mit Fluorophor 2 am 3'-Ende trägt, bindet an den komplementär zum Target verlängerten Primer 3 unmittelbar anschließend an die Haarnadel 1.(B) The resulting duplex is denatured so that (C) Primer 3 binds with fluorophore 1 at the 5 'end to the complementary end of Primer 1 and is extended. (D) The resulting double strand is denatured, so that during rehybridization a hairpin 1 is formed between target binding sequence 2 and target sequence 2. In addition, a hairpin 2 is formed between the 5 'end of the primer 3 sequence and primer 1. The probe, which bears a label with fluorophore 2 at the 3'-end, binds to the complementary to the target-extended primer 3 immediately after the hairpin 1.
(D1) Zur selektiven Amplifikation unterschiedlicher Targetsequenzen unterscheidet sich Primer 1 in der Targetbindungssequenz 1 und durch einen Längenmarker zwischen Primerbindungssequenz 1 am 3'-Ende sowie Primersequenz 3 an seinem 5'-Ende von anderen Primern 1 für andere Targetsequenzen im Multiplex-Ansatz. Durch Bestrahlung des Reaktionsgemisches mit Licht definierter Wellenlänge wird ein über Fluorophor 1 vermittelter FRET ausgelöst und eine Emission von Fluorophor 2 bei definierter Wellenlänge gemessen. Diese Emission korreliert mit der im Reaktionsgemisch befindlichen Menge an Template, die den Polymorphismus umfasst. Zur besseren Unterscheidung von Targetsequenzen mit Polymorphismus und von Targetsequenzen ohne, die sich nur geringfügig in ihrer Targetsequenz 2 unterscheiden wird eine Schmelzkurve erstellt. Sind beide Targetsequenzen im Reaktionsgemisch enthalten, resultieren zwei Peaks in der Darstellung der 1. Ableitung der Schmelzkurve. Auf Grund unterschiedlicher Längenmarker in unterschiedlichen Primern 1 (siehe D1?) können die Amplifikate zusätzlich auch durch Gelelktrophorese oder Massenspektroskopie detektiert bzw. unterschieden werden.(D1) For selective amplification of different target sequences, primer 1 differs in the target binding sequence 1 and by a length marker between primer binding sequence 1 at the 3 'end and primer sequence 3 at its 5' end of other primers 1 for other target sequences in the multiplex approach. By irradiation of the reaction mixture with light of defined wavelength, a fluorophore-mediated FRET is triggered and an emission of fluorophore 2 is measured at a defined wavelength. This emission correlates with the amount of template in the reaction mixture which comprises the polymorphism. To better distinguish target sequences with polymorphism and target sequences without, which differ only slightly in their target sequence 2, a melting curve is created. If both target sequences are contained in the reaction mixture, two peaks result in the representation of the first derivative of the melting curve. Due to different length markers in different primers 1 (see D1?), The amplificates can additionally be detected or distinguished by gel electrophoresis or mass spectroscopy.
Beispiel 1example 1
Nachweis des Erregers Herpes-simplex-\/'\ rus in einer Probe Ein Volumen von 5 μl aus Abstrichen von Lippenbläschen gereinigter Proben-DNS wird zuDetection of the pathogen herpes simplex - \ / '\ rus in a sample a volume of 5 ul from swabs of cold sores purified sample DNA becomes
15 μl Master-Mix folgender Zusammensetzung gegeben:15 μl of the master mix of the following composition:
Primer 1 400 nMPrimer 1 400 nM
Primer 2 30O nMPrimer 2 30O nM
Sonde 100 nM in Taq-DNS-Polymerase, Nukleotide, Magnesiumchlorid, Tris/HCI-Puffer und Tween 20 gelöst. Der Reaktionsansatz wird in eine LightCycler-Kapillare pipettiert und anschließend in den LightCycler überführt und thermocyclisch amplifiziert. Das Verfahren ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Primer 1 trägt ein kovalent gebundenes Fluorescein am 4. Nukleotid vom 3'-Ende aus gezählt, bindet mit seiner Targetbindungssequenz 1 am 3'-Ende an die Targetsequenz des Herpes s/mp/ex-Virus-Genoms und wird durch eine DNS-Polymerase unter geeigneten Bedingungen komplementär zum Target verlängert. Nach Denaturierung des Doppelstranges kann die Sonde, die eine Rhodamin-Markierung am 3'-Ende trägt an den komplementär zum Target verlängerten Primer hybridisieren. Durch Bestrahlung des Reaktionsgemisches mit Licht einer Wellenlänge von 480 nm wird ein über Fluorescein vermittelter FRET ausgelöst und die Emission bei 560 nm korreliert mit der im Reaktionsgemisch befindlichen Menge an Template.Probe 100 nM dissolved in Taq DNA polymerase, nucleotides, magnesium chloride, Tris / HCl buffer and Tween 20. The reaction batch is pipetted into a LightCycler capillary and then transferred to the LightCycler and thermocyclically amplified. The method is shown schematically in FIG. Primer 1 carries a covalently bound fluorescein at the 4 th nucleotide counted from the 3 'end, binds with its target binding sequence 1 at the 3' end to the target sequence of the herpes s / mp / ex-virus genome and is by a DNA polymerase extended under suitable conditions complementary to the target. After denaturation of the double strand, the probe bearing a rhodamine label at the 3 'end can hybridize to the primer extended to complement the target. By irradiation of the reaction mixture with light having a wavelength of 480 nm, a fluorescein-mediated FRET is triggered and the emission at 560 nm correlates with the amount of template present in the reaction mixture.
Nach Abschluß der Amplifikation wird für alle Proben, die ein ausreichend hohes Meßsignal aufweisen, eine Schmelzkurve aufgezeichnet.After completion of the amplification, a melting curve is recorded for all samples which have a sufficiently high measurement signal.
Sequenzensequences
Primer 1 : 5'-TOAAGGG CCA GGC GCT TGT TGG TGT A-3' (SEQ ID No: 1 ) G an Position 2 (grau hinterlegt) trägt kovalent ein FITC-Molekül.Primer 1: 5'-TOAAGGG CCA GGC GCT TGT TGG TGT A-3 '(SEQ ID NO: 1) G at position 2 (highlighted in gray) covalently carries a FITC molecule.
Primer 2: 5'-CAT CAC CGA CCC GGA GAG GGA C-3' (SEQ ID No: 2)Primer 2: 5'-CAT CAC CGA CCC GGA GAG GGA C-3 '(SEQ ID No: 2)
Sonde: δ'-GCAACTCTCTCAGGGCCAGGCGG-S'-Rhodamin (SEQ ID No: 3)Probe: δ'-GCAACTCTCTCAGGGCCAGGCGG-S'-rhodamine (SEQ ID No: 3)
Beispiel 2: Nachweis eines Faktor 2-PolymorphismusExample 2: Detection of a factor 2 polymorphism
Ein Volumen von 5 μl aus Patientenblut gereinigter Proben-DNS oder zur Reamplifkation bestimmtes, vorverdünntes Amplifikat wird zu 15 μl Master-Mix folgender Zusammensetzung gegeben: Primer 1 (FITC-modifiziert) 300 nM Primer 2 30O nMA volume of 5 μl of sample blood purified from patient's blood or reamplifcation-prediluted amplicon is added to 15 μl of master mix of the following composition: Primer 1 (FITC-modified) 300 nM Primer 2 30O nM
Sonde 10O nMProbe 10O nM
in Taq-DNS-Polymerase, Nukleotide, Magnesiumchlorid, Tris/HCI-Puffer und Tween 20 gelöst. Der Reaktionsansatz wird in eine LightCycler-Kapillare pipettiert und anschließend in den LightCycler überführt und thermocyclisch amplifiziert. Das Verfahren ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Primer 1 trägt ein kovalent am 5'-Ende gebundenes Cy5 sowie eine Targetbindungssequenz im 3'-Bereich und eine Sondenbindungssequenz im 5'-Bereich. Mit der Targetbindungssequenz bindet Primer 1 an das Target und wird durch eine DNS- Polymerase unter geeigneten Bedingungen komplementär zum Target, dem Faktor 2- Gen, verlängert. Nach Denaturierung des Doppelstranges bildet das 5'-Ende von Primer 1 einen haarnadelartigen Loopmit dem Target-unspezifschen 3'-Bereich der Sonde, deren 3'-Ende durch eine Fluoresceinmarkierung gegen Polymeraseverlängerung blockiert wurde. Durch Bestrahlung des Reaktionsgemisches mit Licht einer Wellenlänge von 480 nm wird ein über Fluorescein vermittelter FRET ausgelöst und eine Emission von Cy5 bei 640 nm gemessen. Diese Emission korreliert mit der im Reaktionsgemisch befindlichen Menge an Template, die den Polymorphismus umfaßt. Zur besseren Unterscheidung von Targetsequenzen mit Polymorphismus und von Targetsequenzen ohne, die sich nur geringfügig in ihrer Targetsequenz 2 unterscheiden wird eine Schmelzkurve erstellt. Sind beide Targetsequenzen im Reaktionsgemisch enthalten, resultieren zwei Peaks in der Darstellung der Schmelzkurve. Der Sequenzpolymorphismus wird bevorzugt in den Target-spezifischen Bereich der Sonde detektiert. Bei vorliegen einer Mutation der Targetsequenz im Sondenbindungsbereich kommt es zu einer Fehlpaarung bei der Sondenbindung, so daß sich die Schmelztemperatur der Sonde verändert. Nach Abschluß der Amplifikation wird für alle Proben, die ein ausreichend hohes Meßsignal aufweisen, eine Schmelzkurve aufgezeichnet, um Veränderungen des Schmelzverhaltens der Sonde und damit von etwaigen Mutationen zu finden..dissolved in Taq DNA polymerase, nucleotides, magnesium chloride, Tris / HCl buffer and Tween 20. The reaction batch is pipetted into a LightCycler capillary and then transferred to the LightCycler and thermocyclically amplified. The method is shown schematically in FIG. Primer 1 carries a Cy5 covalently attached at the 5 'end and a target binding sequence in the 3' region and a probe binding sequence in the 5 'region. With the target binding sequence, primer 1 binds to the target and is extended by a DNA polymerase under appropriate conditions complementary to the target, the factor 2 gene. After denaturation of the double strand, the 5 'end of primer 1 forms a hairpin-like loop with the target unspecific 3' region of the probe, the 3 'end of which was blocked by fluorescein labeling against polymerase extension. By irradiation of the reaction mixture with light having a wavelength of 480 nm, a fluorescein-mediated FRET is triggered and an emission of Cy5 at 640 nm is measured. This emission correlates with the amount of template in the reaction mixture which comprises the polymorphism. To better distinguish target sequences with polymorphism and target sequences without, which differ only slightly in their target sequence 2, a melting curve is created. If both target sequences are contained in the reaction mixture, two peaks result in the representation of the melting curve. The sequence polymorphism is preferably detected in the target-specific region of the probe. If there is a mutation of the target sequence in the probe binding region, there is a mismatch in the probe binding, so that the melting temperature of the probe changes. After completion of the amplification, a melting curve is recorded for all samples which have a sufficiently high measurement signal in order to find changes in the melting behavior of the probe and thus of any mutations.
Sequenzensequences
Primer 1 : Cy5-5'-GTCGTCGGCCTGGAACCAATCCCGTGAAAG-3'Primer 1: Cy5-5'-GTCGTCGGCCTGGAACCAATCCCGTGAAAG-3 '
(SEQ ID No: 4)(SEQ ID No: 4)
Primer 2: 5'-CCA GGT GGT GGA TTC TTA AGT C-3' (SEQ ID No: 5) Sonde: 5'-CATTGAGGCTCGCTGAGAGTGCCGACGAC-3'-FITC (SEQ ID No: 6)Primer 2: 5'-CCA GGT GGT GGA TTC TTA AGT C-3 '(SEQ ID No: 5) Probe: 5'-CATTGAGGCTCGCTGAGAGTGCCGACGAC-3'-FITC (SEQ ID No: 6)
Beispiel 3:Example 3:
Nachweis eines Targetsequenz-Polymorphismus Ein Volumen von 5 μl gereinigter Proben-DNS wird zu 15 μl Master-Mix folgenderDetection of Target Sequence Polymorphism A volume of 5 μl of purified sample DNA becomes the following 15 μl of master mix
Zusammensetzung gegeben:Composition given:
Primer 1 300 nMPrimer 1 300 nM
Primer 2 30O nMPrimer 2 30O nM
Sonde 1 (FITC-modifiziert) 400 nM Sonde 2 (LC-Red-640-modifiziert) 400 nMProbe 1 (FITC modified) 400 nM Probe 2 (LC Red 640 modified) 400 nM
Sonde 3 500 nM in Taq-DNS-Polymerase, Nukleotide, Magnesiumchlorid, Tris/HCI-Puffer und Tween 20 gelöst. Der Reaktionsansatz wird in eine LightCycler-Kapillare pipettiert und anschließend in den LightCycler überführt und thermocyclisch amplifiziert. Das Verfahren ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Beide Primer sind nicht mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert. Primer 2 dient dabei einerseits als Primer (Sequenzbereich am 3'-Ende) und andererseits dazu, die komplementäre Sequenz zur Haarnadelstammbildung sowie zum Binden der Sonde 2 (FRET-Akzeptor) in das Amplifikat einzuführen. Das durch PCR entstehende Amplifikat bildet eine 20 Basen lange Haarnadelstruktur an der die Sonde 3 hybridisieren kann. Dabei überdeckt Sonde 3 eine zu detektierende Mutation (x). Außerdem binden eine mit einem Fluoreszenzfarbstoff markierte Sonde 1 (FRET-Donor, z.B. Fluorescein) in direkter Nähe (vorzugsweise 0 bis 10 Basen Abstand zur ersten Base des Haarnadelstammes) zum Stamm der Haarnadel wie auch Sonde 2 (FRET-Akzeptor, z.B. LC-Red-640) deren Fluroeszenzmarkierung am entgegengesetzten Ende der Sonde 1 liegt (z.B. Sonde 1 5'-markiert, Sonde 2 3'-markiert). Bei geschlossener Haarnadel kommen die mit Fluoreszenzfarbstoffen markierten Sonden in unmittelbare Nähe zueinander und es kann bei Anregung mit einer geeigneten Wellenlänge ein Fluoreszenzsignal des FRET-Akzeptors detektiert werden.Probe 3 500 nM dissolved in Taq DNA polymerase, nucleotides, magnesium chloride, Tris / HCl buffer and Tween 20. The reaction batch is pipetted into a LightCycler capillary and then transferred to the LightCycler and thermocyclically amplified. The method is shown schematically in FIG. Both primers are not labeled with fluorescent dyes. Primer 2 serves on the one hand as a primer (sequence region at the 3'-end) and on the other hand to introduce the complementary sequence for hairpin stem formation and for binding the probe 2 (FRET acceptor) in the amplicon. The amplicon produced by PCR forms a 20-base hairpin structure on which probe 3 can hybridize. In this case, probe 3 covers a mutation (x) to be detected. In addition, a labeled with a fluorescent dye probe 1 (FRET donor, eg fluorescein) in close proximity (preferably 0 to 10 bases distance to the first base of the hairpin strain) bind to the stem of the hairpin as well as probe 2 (FRET acceptor, eg LC Red -640) whose fluorescence label is at the opposite end of probe 1 (eg probe 1 5'-labeled, probe 2 3'-labeled). When the hairpin is closed, the probes labeled with fluorescent dyes come in close proximity to one another and a fluorescence signal of the FRET acceptor can be detected upon excitation with a suitable wavelength.
Durch die ebenfalls im Reaktionsansatz vorhandene Sonde 3 wird bei niedrigen Temperaturen eine Öffnung der Haarnadel erzwungen, da Sonde 3 so in der Haarnadelstruktur hybridisieren kann, daß das Schließen der Haarnadel verhindert wird. Erst nach Erhöhung der Temperatur (z.B. bei Aufnahme einer Schmelzkurve) dehybridisiert Sonde 3 und die Haarnadel schließt sich (Erhöhung des Fluoreszenzsignals). Beim Vorhandensein eines Basenaustausches im Haarnadelbereich (nachzuweisende Mutation) dehybridisiert die Sonde entsprechend früher und führt zu einem veränderten Signalverlauf. Die Veränderungen können mit einer Schmelzkurvenanalyse leicht detektiert werden (Doppelpeak beim Vorhandensein von Wildtyp- und Mutationstemplate, heterozygote Konstellation).By also present in the reaction mixture probe 3, an opening of the hairpin is forced at low temperatures, since probe 3 can hybridize in the hairpin structure, that the closing of the hairpin is prevented. Only after increasing the temperature (e.g., when taking a melting curve) does probe 3 hybridize and the hairpin closes (increase in fluorescence signal). In the presence of a base exchange in the hairpin area (mutation to be detected), the probe dehybridizes correspondingly earlier and leads to a changed signal course. The changes can easily be detected with a melting curve analysis (double peak in the presence of wild type and mutation template, heterozygous constellation).
Sequenzensequences
Primer 1: B'-CTGAATTCTTAGGTGGTGGACC-S1 (SEQ ID NO: 7) Primer 2 5 ' -GATCCAAGTCCAAACGTCAACCCATCTGACTACGCTGAGTGTTCCCAATAAAAGTGACTC-B 'Primer 1: B'-CTGAATTCTTAGGTGGTGGACC-S 1 (SEQ ID NO: 7) primer 2 5 '-GATCCAAGTCCAAACGTCAACCCATCTGACTACGCTGAGTGTTCCCAATAAAAGTGACTC-B'
( SEQ I D No : 8 )(SEQ ID NO: 8)
Sonde 1 (Fluorescein-modifiziert): Fiuorescem-5 -TAGTCAGATGGGTTGACGTTTGGACTTGGATC-3 Probe 1 (fluorescein-modified): Fiuorescem-5 -TAGTCAGATGGGTTGACGTTTGGACTTGGATC-3
( SEQ I D No : 9 )(SEQ ID NO: 9)
Sonde 2 (LC-Red-640-modifiziert): 5 -CCATGAATAGCACTGGGAGCATTGAGGCT- B -Lc-Red640 ( SEQ I D No : 10 )Probe 2 (LC-Red-640-modified): 5 -CCATGAATAGCACTGGGAGCATTGAGGCT-B -Lc-Red640 (SEQ ID No: 10)
Sonde 3: S ' -GTCACTTTTATTGGGAAC- B ' ( SEQ I D NO : i i ) Beispiel 4:Probe 3: S '-GTCACTTTTATTGGGAAC-B' (SEQ ID NO: ii) Example 4:
Charakterisierung von Nukleotidsequenzen durch SchmelzkurvenanalyseCharacterization of nucleotide sequences by melting curve analysis
Ein Volumen von 5 μl gereinigter Proben-DNS zur Reamplifikation bestimmtes Amplifikat wird zu 15 μl Master-Mix folgender Zusammensetzung gegeben: Primer 1 300 nMA volume of 5 μl of purified sample DNA for amplification intended for reamplification is added to 15 μl of master mix of the following composition: Primer 1 300 nM
Primer 2 30OnMPrimer 2 30OnM
Sonde 1 (Fluorescein-modifiziert) 400 nM Sonde 2 (LC-Red-640-modifiziert) 400 nM Sonde 3 bis 6 50OnM in Taq-DNS-Polymerase, Nukleotide, Magnesiumchlorid, Tris/HCI-Puffer und Tween 20 gelöst.Probe 1 (fluorescein-modified) 400 nM probe 2 (LC-Red-640-modified) 400 nM probe 3 to 6 50 oM in Taq DNA polymerase, nucleotides, magnesium chloride, Tris / HCl buffer and Tween 20 were dissolved.
Der Reaktionsansatz wird in eine LightCycler-Kapillare pipettiert und anschließend in den LightCycler überführt und thermocyclisch amplifiziert. Das Verfahren ist schematisch in Fig. x dargestellt. Beide Primer sind nicht mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert. Primersonde 2 dient dabei einerseits als Primer (Sequenzbereich am 3'-Ende) und andererseits dazu, die komplementäre Sequenz zur Haarnadelstammbildung sowie zum Binden der Sonde 2 (FRET-Akzeptor) in das Amplifikat einzuführen. Das durch PCR entstehende Amplifikat bildet eine 66 Basen lange Haarnadelstruktur an der die Sonden 3 bis 6 hybridisieren können. Bei vollständiger Hybridisierung der Sonden 3 bis 6 wird eine Hybridisierung des Haarnadelstammes verhindert und damit kann bei Anregung mit Licht der Wellenlänge 480 nm kein FRET stattfinden. Bei einer Temperaturerhöhung im Verlaufe der Aufnahme einer Schmelzkurve dehybridisieren die Sonden in definierter Reihenfolge und in Abhängigkeit der Sequenz des gebildeten Amplifikates. Sind im Sondenbindungsbereich Sequenzveränderungen im Vergleich zur Wildtypsequenz vorhanden, wird eine veränderte Schmelzkurve erhalten, die Rückschlüsse auf den Sequenzbereich, der sich verändert hat, zuläßt.The reaction batch is pipetted into a LightCycler capillary and then transferred to the LightCycler and thermocyclically amplified. The method is shown schematically in FIG. Both primers are not labeled with fluorescent dyes. Primer probe 2 serves on the one hand as a primer (sequence region at the 3 'end) and on the other hand to introduce the complementary sequence for hairpin stem formation and for binding the probe 2 (FRET acceptor) into the amplificate. The amplicon produced by PCR forms a hairpin structure of 66 bases length at which probes 3 to 6 can hybridize. Upon complete hybridization of probes 3 to 6, hybridization of the hairpin stem is prevented, and thus FRET can not occur upon excitation with 480 nm wavelength light. Upon a temperature increase in the course of recording a melting curve, the probes dehybridize in a defined order and depending on the sequence of the amplicon formed. If sequence changes in the probe binding region compared to the wild-type sequence are present, a modified melting curve is obtained, which allows conclusions to be drawn about the sequence region which has changed.
Sequenzensequences
Primer 1: S'-CTGAATTCTTAGGTGGTGGACC-S1 (SEQ ID NO: 12 ) PrimerSOnde 2: 5'-GATCCAAGTCCAAACGTCAACCCATCTGACTACTGGCGCTGAGTTTGTCGTTGTTCCGTC-B' (SEQ ID No: 13)Primer 1: S'-CTGAATTCTTAGGTGGTGGACC-S 1 (SEQ ID NO: 12) Primer Add 2: 5'-GATCCAAGTCCAAACGTCAACCCATCTGACTACTGGCGCTGAGTTTGTCGTTGTTCCGTC-B '(SEQ ID No: 13)
Sonde 1 (Fluorescein-modifiziert): 5 -Fiuorescem-τAGτcAGATGGGττGACGτττGGAcττGGAτc-3 Probe 1 (fluorescein-modified): 5 -fluorescence-τAGτcAGATGGGττGACGτττGGAcττGGAτc-3
(SEQ ID No: 14)(SEQ ID No: 14)
Sonde 2 (LC-Red-640-modifiziert):s -ccATGAATAGCAcτGGGAGCAττGAGGcτ-Lc-Red640-3 (SEQ ID No: 15)Probe 2 (LC-Red-640 modified): s -ccATGAATAGCAcτGGGAGCAττGAGGcτ-Lc-Red640-3 (SEQ ID No: 15)
Sonde 3: 5'-GACGGAACAACGACAA-3' (SEQ ID NO: i6)Probe 3: 5'-GACGGAACAACGACAA-3 '(SEQ ID NO: i6)
Sonde 4: 5'-GGTCACTTGGATTGG-3' (SEQ ID NO: 17)Probe 4: 5'-GGTCACTTGGATTGG-3 '(SEQ ID NO: 17)
Sonde 5: 5'-CAGCGGCAGCGACAA-3' (SEQ ID NO: 18) Sonde 6: S ' -GTCACTTTTATTGGGAAC- B ' ( SEQ I D NO : 19 )Probe 5: 5'-CAGCGGCAGCGACAA-3 '(SEQ ID NO: 18) Probe 6: S '-GTCACTTTTATTGGGAAC-B' (SEQ ID NO: 19)
Beispiel 5:Example 5:
Simultaner Nachweis von Herpes simplex DNS und interner Standard in einer Probe Ein Volumen von 5 μl aus Patientenblut gereinigter Proben-DNS wird zu 15 μl Master-Mix folgender Zusammensetzung gegeben:Simultaneous detection of herpes simplex DNA and internal standard in a sample A volume of 5 μl of sample blood purified from patient blood is added to 15 μl of master mix of the following composition:
Primer 1 a 10 nMPrimer 1 a 10 nM
Primer 1 b 1 O nMPrimer 1 b 1 O nM
Primer 2 30O nM Primer 3 (FITC-modifiziert) 30O nMPrimer 2 30O nM Primer 3 (FITC-modified) 30O nM
Sonde 1 10O nMProbe 1 10O nM
Sonde 2 10O nMProbe 2 10O nM
Interner Standard 100 fM in Taq-DNS-Polymerase, Nukleotide, Magnesiumchlorid, Tris/HCI-Puffer und Tween 20 gelöst.Internal standard 100 fM dissolved in Taq DNA polymerase, nucleotides, magnesium chloride, Tris / HCl buffer and Tween 20.
Der Reaktionsansatz wird in eine LightCycler-Kapillare pipettiert und anschließend in denThe reaction mixture is pipetted into a LightCycler capillary and then into the
LightCycler überführt und thermocyclisch amplifiziert. Das Verfahren ist schematisch inLightCycler transferred and thermocyclic amplified. The procedure is schematic in
Fig. 3 dargestellt. Nach Abschluß der Amplifikation wird für alle Proben, die ein ausreichend hohes Meßsignal aufweisen, eine Schmelzkurve aufgezeichnet, um Amplifikat des internen Standards und, bei HSV-positiven Proben, HSV-Amplifikat zu detektieren.Fig. 3 shown. Upon completion of the amplification, a melting curve is recorded for all samples having a sufficiently high measurement signal to detect amplicon of the internal standard and, for HSV positive samples, HSV amplicon.
Sequenzensequences
Primer 1a: 5'-actgcacgctcacacggacg gtgcagtaagtcct CAT CAC CGA CCC GGA GAG GGA C-3' (SEQ ID No: 20)Primer 1a: 5'-actgcacgctcacacggacg gtgcagtaagtcct CAT CAC CGA CCC GGA GAG GGA C-3 '(SEQ ID No: 20)
Primer 1 b: 5'-actgcacgctcacacggacgttgttgttgt tgttgttgtt gttgttgttg ttgttgttgt gcgtgcagt gcggtccac CATCACCGAC CCGGACAGCC CA-3' (SEQ ID No: 21 ) Primer 2: δ'-GGG CCA GGC GCT TGT TGG TGT A-S' (SEQ ID No: 22)Primer 1 b: 5'-actgcacgctcacacggacgttgtgtgtgtgtgtgtgtgt gttgttgttg ttgttgttgt gcgtgcagt gcggtccac CATCACCGAC CCGGACAGCC CA-3 '(SEQ ID No: 21) primer 2: δ'-GGG CCA GGC GCT TGT TGG TGT A-S' (SEQ ID No: 22)
Primer 3: FITC-5'-actgcacgctcacacggacg-3' (SEQ ID No: 23)Primer 3: FITC-5'-actgcacgctcacacggacg-3 '(SEQ ID No: 23)
Sonde 1 : 5'-tcagttcggcggtgaggaca-3'-Rhodamin (SEQ ID No: 24)Probe 1: 5'-tcagttcggcggtgaggaca-3'-rhodamine (SEQ ID No: 24)
Interner Standard: 5'-CATCACCGAC CCGGACAGCC CACCAGCGTG GACCGCTGT CCT CAC CGC CGA ACT GA GGCCAG GCGGTGAAGG GCAATCAGCT GTTGCCCGTC TCGCTGGTGA AAAGAAAAAC CACCCTGGCGInternal standard: 5'-CATCACCGAC CCGGACAGCC CACCAGCGTG GACCGCTGT CCT CAC CGC CGA ACT GA GGCCAG GCGGTGAAGG GCAATCAGCT GTTGCCCGTC TCGCTGGTGA AAAGAAAAAC CACCCTGGCG
CCCAATACGC AAACCGCCTA CACCAACAAG CGCCTGGCCC-3' (SEQ ID NO: 25) Legende zu den AbbildungenCCCAATACGC AAACCGCCTA CACCAACAAG CGCCTGGCCC-3 '(SEQ ID NO: 25) Legend to the pictures
Primer = HBSPrimer = HBS
Komplementär zum Primer Targetsequenz 2Complementary to the primer target sequence 2
Sonde Hybridisierter NukleinsäuredoppelstrangProbe Hybridized Nucleic Acid Double Strand
Fluorophor 1
Figure imgf000031_0001
Anregung
Fluorophore 1
Figure imgf000031_0001
stimulation
Emission
Figure imgf000031_0002
emission
Figure imgf000031_0002
X oder -=&► Polymorphismus im Target SA FRET Sonde 2 X o d er - = & ► polymorphism in the target SA FRET probe 2

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Echtzeit-Nachweis von Nukleinsäuretargets als Produkte einer Nukleinsäure-Amplifikationsreaktion mittels eines Primer/Sondensystems, dadurch charakterisiert, dass es folgende Schritte umfasst:A method for the real-time detection of nucleic acid targets as products of a nucleic acid amplification reaction by means of a primer / probe system, characterized in that it comprises the following steps:
a) Einsatz von mindestens einem Primer, der mindestens eine für die zu amplifizierende Nukleinsäure targetspezifische Sequenz (TSS), sowie eine Haarnadelbildungssequenz (HBS) umfasst, der am 3'-Ende eine enzymatische Verlängerung komplementär zum Target gestattet und die Einführung eines Fluorophores 1 durch kovalente Bindung oder durch Bindung einer Sonde 1 erlaubt.a) Use of at least one primer which comprises at least one target-specific sequence (TSS) for the nucleic acid to be amplified and a hairpin-forming sequence (HBS) which allows enzymatic extension complementary to the target at the 3 'end and the introduction of a fluorophore 1 through covalent bond or by binding a probe 1 allowed.
b) Einführung mindestens eines Fluorophor 1 durch kovalente Bindung an den mindestens einen Primer aus Schritt a) oder durch Hybridisierung einer Sonde 1 , die mit Fluorophor 1 markiert ist, mit dem mindestens einen Primer aus Schritt a).b) introduction of at least one fluorophore 1 by covalent bonding to the at least one primer from step a) or by hybridization of a probe 1 which is labeled with fluorophore 1, with the at least one primer from step a).
c) Enzymatische Verlängerung des Primers am 3'-Ende.c) Enzymatic extension of the primer at the 3'-end.
d) Einsatz von mindestens einer Sonde 2, die mindestens am 3'-Ende ein Fluorophor 2 trägt, wobei die eine Sonde mit dem am 3'-Ende verlängerten Primer hybridisiert, sodass Fluophor 1 und Fluophor 2 so in räumliche Nähe gelangen, dass ein Fluoreszenzresonanzenergietransfer zwischen den Fluophoren 1 und 2 möglich ist.d) use of at least one probe 2 which carries a fluorophore 2 at least at the 3 'end, wherein the one probe hybridizes with the primer extended at the 3' end, so that fluophore 1 and fluophore 2 come into close proximity to one another Fluorescence resonance energy transfer between the fluorophores 1 and 2 is possible.
e) Ausbildung von mindestens einer intramolekularen oder intermolekularen Haarnadel durch Hybridisierung der HBS des gemäß Schritt c) verlängerten mindestens einem Primer mit dem zur HBS komplementären Abschnitt des verlängerten Primer oder mit einem zur HBS komplementären Abschnitt von Sonde 2. f) Anregung eines der beiden Fluorophore durch Licht geeigneter Wellenlänge, so dass zwischen den Fluorophoren 1 und 2 ein Fluoreszenzresonanzenergietransfer stattfindet.e) formation of at least one intramolecular or intermolecular hairpin by hybridization of the HBS of the at least one primer extended according to step c) with the section of the extended primer complementary to the HBS or with a section of probe 2 complementary to the HBS. f) excitation of one of the two fluorophores by light of a suitable wavelength, so that a fluorescence resonance energy transfer takes place between the fluorophores 1 and 2.
g) Fluoreszenzoptische Detektion der Fluoreszenz.g) fluorescence optical detection of fluorescence.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Primer am 5'-Ende zusätzlich eine zum Target unspezifische Nukleotidsequenz aufweist.2. The method according to claim 1, characterized in that the at least one primer additionally has a nonspecific nucleotide sequence to the target at the 5 'end.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß Sonde 2 und gegebenenfalls Sonde 1 an den durch Verlängerung gemäß Anspruch 1 , Schritt c) gebildeten Strang enthaltend den mindestens einen Primer binden.3. The method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that probe 2 and optionally probe 1 to the strand formed by extension according to claim 1, step c) containing the at least one primer.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluorophor 1 kovalent gebunden an den mindestens einen Primer oder an die Sonde 1 vorliegt.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the fluorophore 1 is covalently bonded to the at least one primer or to the probe 1.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the
Fluorophor 2 kovalent gebunden ist an Sonde 2.Fluorophore 2 is covalently bound to probe 2.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Primer eine für die zu amplifizierende Targetsequenz spezifische Sequenz (TSS) und im 5'-Bereich eine zu seinem 3'-Bereich teilweise komplementäre HBS umfasst, so dass der Primer in sich eine Haarnadel bilden kann.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the at least one primer comprises a sequence specific to the target sequence to be amplified (TSS) and in the 5 'region to its 3' region partially complementary HBS, so that the primer can form a hairpin in itself.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluorophor 1 nicht an die TSS oder die HBS des mindestens einen Primers gebunden vorliegt.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the fluorophore 1 is not bound to the TSS or the HBS of the at least one primer.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Primer das Fluorophor 1 an seinem 5'-Ende aufweist.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the at least one primer has the fluorophore 1 at its 5 'end.
9. Verfahren zum Echtzeit-Nachweis von Nukleinsäuretargets als Produkte einer Nukleinsäure-Amplifikationsreaktion mittels einem Primer/Sondensystem umfassend die Schritte: a) in einer ersten Reaktion,9. A method for real-time detection of nucleic acid targets as products of a nucleic acid amplification reaction using a primer / probe system comprising the steps: a) in a first reaction,
Einsatz eines Primerpaares 1 und 2, wobei der Vorwärtsprimer 1 mindestens eine Targetbindungssequenz 1 (TSS 1 ) und mindestens eineUse of a primer pair 1 and 2, wherein the forward primer 1 at least one target binding sequence 1 (TSS 1) and at least one
Haarnadelbildungssequenz (HBS) umfasst, wobei die HBS identisch ist zu einem Abschnitt der Targetsequenz, der sich zwischen der TSS 1 und der Bindungsstelle desHairpin forming sequence (HBS), wherein the HBS is identical to a portion of the target sequence extending between the TSS 1 and the binding site of the
Rückwärtsprimer 2 befindet, - die TSS 1 des Vorwärtsprimer 1 an das zu amplifizierendeReverse primer 2 is located, - the TSS 1 of the forward primer 1 to the to be amplified
Target bindet, anschließend Vorwärtsprimer 1 komplementär zum Target enzymatisch verlängert wird, und danach Rückwärtsprimer 2 an das Produkt der Verlängerung des Vorwärtsprimers 1 bindet und ebenfalls enzymatisch verlängert wird.Target binds, then forward primer 1 is complemented enzymatically to the target, and then reverse primer 2 binds to the product of extension of forward primer 1 and is also enzymatically extended.
b) in einer weiteren Reaktion,b) in a further reaction,
- Einsatz eines Primer 3, welcher • mit dem 5'-Bereich von Primer 1 identisch oder teilweise identisch ist,Use of a primer 3 which is identical or partially identical to the 5 'region of primer 1,
• das Fluorophor 1 trägt, und• carries the fluorophore 1, and
• wobei Primer 3 so konstruiert ist, dass er eine erste intramolekulare Haarnadel vollständig oder teilweise mit sich selbst oder mit entsprechenden Abschnitten der• wherein primer 3 is designed to be a first intramolecular hairpin completely or partially with itself or with appropriate portions of the hairpin
Primer 1-Sequenz bilden kann, undPrimer can form 1-sequence, and
- Enzymatische Verlängerung des Primer 3 unter Verwendung des verlängerten Rückwärtsprimers 2 aus Schritt a) als Matritze.Enzymatic extension of primer 3 using the extended reverse primer 2 from step a) as a template.
c) Einsatz von mindestens einer Sonde 2, die mindestens am 3'-c) use of at least one probe 2 which is at least on the 3 '
Ende ein Fluorophor 2 trägt, wobei die Sonde 2 mit dem verlängerten Primer 3 hybridisiert, sodass Fluophor 1 und Fluophor 2 so in räumliche Nähe gelangen, dass ein Fluoreszenzresonanzenergietransfer zwischen den Fluophoren möglich ist.End carries a fluorophore 2, wherein the probe 2 hybridized with the extended primer 3, so that Fluophore 1 and Fluophore 2 get in close proximity, that a fluorescence resonance energy transfer between the fluorophores is possible.
d) Ausblidung einer zweiten intramolekularen Haarnadel im verlängerten Primer 3 aus Schritt b) durch Hybridisierung der mindestens einen HBS der ursprünglichen Primer 1-Sequenz mit dem zu dieser HBS komplementären Abschnitt des verlängerten Primer 3.d) evisceration of a second intramolecular hairpin in the extended primer 3 from step b) by hybridization of the at least one HBS of the original primer 1 sequence with the HBS complementary portion of the extended primer 3.
e) Anregung eines der beiden Fluorophore durch Licht geeignetere) excitation of one of the two fluorophores by light suitable
Wellenlänge, so dass zwischen den Fluorophoren 1 und 2 ein Fluoreszenzresonanzenergietransfer stattfindet.Wavelength, so that between the fluorophores 1 and 2 takes place a fluorescence resonance energy transfer.
f) Fluoreszenzoptische Detektion der Fluoreszenz.f) fluorescence optical detection of fluorescence.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Primer 3 das Fluorophor 1 am 5'-Ende trägt.10. The method according to claim 9, characterized in that primer 3 carries the fluorophore 1 at the 5 'end.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass Primer 3 das Fluorophor 1 trägt und die Sonde 2 über die zweite intramolekulare Haarnadel aus Schritt c) des Anspruch 9 hinweg spannend, gleichzeitig an die ursprüngliche Vorwärtsprimer 1 -Sequenz und an einen vom 3'-Ende der zweiten Haarnadel stromabwärts gelegenen Abschnitt des verlängerten Primer 3 hybridisert, welcher komplementär ist zu einem Abschnitt der Targetsequenz, welcher zwischen1 1. A method according to any one of claims 9 and 10, characterized in that primer 3 carries the fluorophore 1 and the probe 2 via the second intramolecular hairpin from step c) of claim 9 exciting time, simultaneously to the original forward primer 1 sequence and to a downstream of the 3 'end of the second hairpin portion of the extended primer 3, which is complementary to a portion of the target sequence, which between
TSS 1 und der Bindungsstelle des Rückwärtsprimers 2 liegt.TSS 1 and the binding site of the reverse primer 2 is located.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Sonden 1 und 2 verwendet werden, wobei Sonde 1 das Fluorophor 1 trägt und Sonde 2 das Fluorophor 2 und Sonde 1 Primer 1 -spezifisch und Sonde 2 Targetspezifisch ist.12. The method according to any one of claims 1 to 1 1, characterized in that probes 1 and 2 are used, wherein probe 1 carries the fluorophore 1 and probe 2 is the fluorophore 2 and probe 1 primer 1 -specific and probe 2 target specific.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluorophore 1 und 2 ausgewählt sind aus Fluoreszenzfarbstoffmolekülen, wobei das Licht, das vom ersten Fluorophor absorbiert und remittiert wird, vom zweiten, nach13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the fluorophores 1 and 2 are selected from fluorescent dye molecules, wherein the light, which is absorbed by the first fluorophore and remitted, from the second, after
Bindung der Sonde 2 dem ersten Fluorophor räumlich nahen Fluorophor 2 erneut absorbiert und remittiert wird bzw. über Kontakt der Farbstoffmoleküle strahlungslos übertragen wird.Binding of the probe 2 to the first fluorophore spatially close fluorophore 2 is re-absorbed and remittiert or is transmitted without radiation via contact of the dye molecules.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Fluorophor-Paare verwendet werden, wobei entweder Fluorophor 1 aus der Gruppe der Fluorophor A ausgewählt sein kann und Fluorophor 2 dann den entsprechenden FRET-Partner B darstellt, oder umgekehrt: Fluorophor A FRET-Partner B14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the following fluorophore pairs are used, wherein either fluorophore 1 can be selected from the group of the fluorophore A and fluorophore 2 then represents the corresponding FRET partner B, or vice versa: Fluorophore A FRET partner B
Fluorescein LC Red 640 oder LC Red 705Fluorescein LC Red 640 or LC Red 705
Aminocumarin FluoresceinAminocoumarin fluorescein
Fluorescein Rhodamin oder Tetramethylrhodamin Fluorescein Cy3Fluorescein rhodamine or tetramethylrhodamine fluorescein Cy3
Cy3 Cy5Cy3 Cy5
Cy3 TetramethylrhodaminCy3 tetramethylrhodamine
Europium Cy5Europium Cy5
Terbium Rhodamin Bodipy BodipyTerbium Rhodamine Bodipy Bodipy
Dansyl FluoresceinDansyl fluorescein
Naphtalen DansylNaphtalene Dansyl
Ruthenium Cy5.Ruthenium Cy5.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die enzymatische Verlängerungsreaktion eine homogene Flüssigphasen-PCR, eine Multiplex-PCR, eine asymmetrische PCR, eine Festphasen-PCR, eine RT-PCR, eine in situ-PCR, eine immuno-PCR oder eine nested PCR ist.15. The method according to any one of claims 1 to 14, characterized in that the enzymatic extension reaction is a homogeneous liquid-phase PCR, a multiplex PCR, an asymmetric PCR, a solid-phase PCR, an RT-PCR, an in situ PCR, a immuno-PCR or a nested PCR.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichzeitigen Unterscheidung von mehreren Targetsequenzen, die Targetsequenzen im Sondenbindungsbereich, im Primerbindungsbereich, im Stamm der Haarnadel(n) durch Schmelzkurvenanalyse oder durch den Einsatz mehrerer Fluorophore oder Längenmarker unterschieden werden.16. The method according to any one of claims 1 to 15, characterized in that for the simultaneous differentiation of multiple target sequences, the target sequences in the probe binding region, in the primer binding region, in the trunk of the hairpin (s) are distinguished by melting curve analysis or by the use of multiple fluorophores or length markers.
17. Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß an die Sequenz oder Teile der Sequenz von Haarnadel 2 eine oder mehrere Sonden binden, wobei diese Bindung zur Aufhebung der Haarnadel und des für FRET und strahlungslosen Energietransfers notwendigen geringen Abstandes zwischen Fluorophor 1 und Fluorophor 2 führt.17. The method according to claim 1 to 16, characterized in that bind to the sequence or parts of the sequence of hairpin 2, one or more probes, said binding to cancel the hairpin and necessary for FRET and radiationless energy transfer small distance between fluorophore 1 and Fluorophore 2 leads.
18. Primer-/Sondensystem zum Nachweis von Nukleinsäuren umfassend:18. A primer / probe system for the detection of nucleic acids comprising:
a) einen Primer, der mindestens eine für das nachzuweisende Nukleinsäuretarget spezifische Sequenz umfasst und an seinem 3'-Ende eine enzymatische Verlängerung gestattet, wobei dieser Primer mit dem Fluorophor 1 markiert ist, b) eine Sonde, die am 3'-Ende ein Fluorophor 2 trägt und die an den enzymatisch verlängerten Primer aus a) bindet.a) a primer comprising at least one sequence specific for the nucleic acid target to be detected and allowing an enzymatic extension at its 3 'end, this primer being labeled with the fluorophore 1, b) a probe which carries a fluorophore 2 at the 3 'end and which binds to the enzymatically extended primer from a).
19. Primer-/Sondensystem nach Anspruch 18 umfassend: a) drei Primer, wobei19. primer / probe system according to claim 18 comprising: a) three primers, wherein
- ein Primerpaar 1 und 2 als Vorwärts- und Rückwärtsprimer fungieren und wobei Primer 1 mindestens zwei für das nachzuweisende Nukleinsäuretarget spezifische Sequenzen umfasst und beide Primer 1 und 2 eine enzymatische Verlängerung gestatten, unda primer pair 1 and 2 function as forward and reverse primers and wherein primer 1 comprises at least two sequences specific for the nucleic acid target to be detected and both primers 1 and 2 allow enzymatic extension, and
- Primer 3, der mit dem 5'-Bereich von Primer 1 teilweise oder vollständig identisch ist, ebenfalls enzymatisch verlängerbar ist und Fluorophor 1 trägt, wobei er so konstruiert ist, dass er eine Haarnadel 1 vollständig oder partiell mit sich selbst, mit komplementären Abschnitten der Primer 1 -Sequenz oder komplementären Abschnitten des Targets bilden kann, b) eine Sonde, die am 3'-Ende Fluorophor 2 trägt und die vollständig für die Targetsequenz spezifisch ist, oder die für die Targetsequenz und Primer 1 spezifisch ist.Primer 3, which is partially or completely identical to the 5 'region of primer 1, is also enzymatically extendible and carries fluorophore 1, being designed to form a hairpin 1 wholly or partially with itself, with complementary segments b) a probe which carries fluorophore 2 at the 3'-end and which is completely specific for the target sequence, or which is specific for the target sequence and primer 1. The primer can form the primer 1 or complementary sections of the target.
20. Primer-/Sondensystem nach Anspruch 18 umfassend: a) drei Primer, wobei20. primer / probe system according to claim 18 comprising: a) three primers, wherein
- ein Primerpaar 1 und 2 als Vorwärts- und Rückwärtsprimer fungieren und wobei Primer 1 mindestens zwei für das nachzuweisende Nukleinsäuretarget spezifische Sequenzen umfasst und beide Primer 1 und 2 eine enzymatische Verlängerung gestatten, unda primer pair 1 and 2 function as forward and reverse primers and wherein primer 1 comprises at least two sequences specific for the nucleic acid target to be detected and both primers 1 and 2 allow enzymatic extension, and
- Primer 3, der mit dem 5'-Bereich von Primer 1 teilweise oder vollständig identisch ist, ebenfalls enzymatisch verlängerbar ist, b) zwei Sonden, die jeweils Fluorophor 1 und 2 tragen und die vollständig für die Targetsequenz spezifisch sind, oder die für die Targetsequenz und Primer 1 spezifisch sind.Primer 3, which is partially or completely identical to the 5 'region of primer 1, is also enzymatically extendable, b) two probes, each carrying fluorophore 1 and 2, which are completely specific for the target sequence, or which are specific for the target sequence Target sequence and primer 1 are specific.
21. Reagenzienkit zum Nachweis von Nukleinsäuren umfassend a) mindestens ein Primer/Sondensystem gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, b) geeignete Puffer und gegebenenfalls weitere Hilfsstoffe. 21. reagent kit for the detection of nucleic acids comprising a) at least one primer / probe system according to any one of claims 18 to 20, b) suitable buffers and optionally further excipients.
22. Verwendung eines Primer-/Sondenystems nach einem der Ansprüche 18 bis 20 oder eines Reagenzienkits gemäß Anspruch 21 zur gleichzeitigen Unterscheidung von mehreren Targetsequenzen, wobei mehrere Primer-/Sondensysteme eingesetzt werden, die sich mindestens teilweise oder vollständig in den targetsequenzspezifischen Abschnitten und den Emissionswellenlängen der emittierenden Fluorophore unterscheiden, so dass diese durch Mehrfarbenfluoreszenzdetektion differentiell erfasst werden können.22. Use of a primer / probe system according to any one of claims 18 to 20 or a reagent kit according to claim 21 for the simultaneous differentiation of multiple target sequences, wherein a plurality of primer / probe systems are used, at least partially or completely in the target sequence specific sections and the emission wavelengths distinguish the emitting fluorophores so that they can be differentially detected by multicolor fluorescence detection.
23. Verwendung eines Primer-/Sondenystems nach einem der Ansprüche 18 bis 20 oder eines Reagenzienkits gemäß Anspruch 21 zum Nachweis von mehreren23. Use of a primer / probe system according to any one of claims 18 to 20 or a reagent kit according to claim 21 for the detection of several
Targetsequenzen, wobei die targetspezifischen Primer sich im 3'-Bereich unterscheiden und dadurch vollständig oder unvollständig komplementär mit der Targetsequenz in der jeweiligen Probe sind und dadurch detektiert oder nicht detektiert werden.Target sequences, wherein the target-specific primers differ in the 3 'region and thereby are completely or incompletely complementary to the target sequence in the respective sample and thereby detected or not detected.
24. Verwendung eines Primer-/Sondenystems nach einem der Ansprüche 18 bis 20 oder eines Reagenzienkits gemäß Anspruch 21 zum gleichzeitigen Nachweis von mehreren Targetsequenzen unter Verwendung unterschiedlicher Detektionssysteme, wobei die einzusetzenden targetspezifischen Primer Längenpolymorphismen enthalten und Fluorszenzmarkierungen enthalten können.24. Use of a primer / probe system according to any one of claims 18 to 20 or a reagent kit according to claim 21 for the simultaneous detection of multiple target sequences using different detection systems, wherein the target-specific primer to be used contain length polymorphisms and may contain fluorescent labels.
25. Verwendung eines Primer-/Sondenystems nach einem der Ansprüche 18 bis 20 oder eines Reagenzienkits gemäß Anspruch 21 , wobei die Targetsequenzen durch Echtzeitfluoreszenzanalyse, durch Elektrophorese oder durch Hybridisierung ohne Amplifikation der Targetsequenz, durch Hybridisierung nach der Amplifikation der Targetsequenz oder durch Hybridisierung während der Amplifikation der Targetsequenz erfasst werden.25. Use of a primer / probe system according to any one of claims 18 to 20 or a reagent kit according to claim 21, wherein the target sequences by real-time fluorescence analysis, by electrophoresis or by hybridization without amplification of the target sequence, by hybridization after amplification of the target sequence or by hybridization during the Amplification of the target sequence can be detected.
26. Verwendung eines Primer-/Sondenystems nach einem der Ansprüche 18 bis 20 oder eines Reagenzienkits gemäß Anspruch 21 , in einem Mikroarray, welches die26. Use of a primer / probe system according to any one of claims 18 to 20 or a reagent kit according to claim 21, in a microarray which the
Sonden als Fangsonden oder eine Teilmenge eines Primers als Fangprimer immobilisiert umfasst. Probes as capture probes or a subset of a primer immobilized as capture primer comprises.
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